Motor de articulación robótica para robots humanoides y robots con ruedas: ¿cómo elegir el actuador de articulación adecuado?

Introducción

Cuando se piensa en un motor de articulación para robots, los robots humanoides suelen ser la primera aplicación que viene a la mente. Un robot humanoide puede contener docenas de articulaciones controladas de forma independiente, incluidas las de la cadera, rodilla, tobillo, hombro, codo, muñeca, cintura, cuello y mano. Cada articulación debe generar un movimiento rotativo controlado y, al mismo tiempo, mantener unas dimensiones compactas, un peso reducido, una alta precisión y la capacidad de funcionar de forma fiable bajo cargas dinámicas.

Sin embargo, los motores de articulación para robots no se limitan a los robots humanoides. A medida que los robots con ruedas evolucionan desde simples plataformas móviles hasta sistemas móviles de manipulación, inspección y servicio, incorporan cada vez más brazos robóticos, cabezas giratorias, mecanismos de giro e inclinación, pinzas y otras estructuras articuladas. Estos mecanismos también requieren articulaciones rotativas compactas y controladas con precisión.

Por lo tanto, la cuestión importante no es si un robot es humanoide o tiene ruedas. La cuestión es qué tipo de movimiento articular necesita realizar el robot.

Una articulación de cadera de un robot humanoide y un codo de brazo robótico de un robot móvil pueden tener requisitos de par muy diferentes, pero ambos dependen de un actuador rotativo controlado. La cabeza de un robot puede requerir mucho menos par que la rodilla de un robot humanoide, pero su precisión de posicionamiento y la suavidad del movimiento pueden ser igualmente importantes.

Esto convierte al motor de articulación para robots en un elemento fundamental para muchos tipos de sistemas robóticos articulados.

¿Por qué los motores de articulación para robots se están convirtiendo en un elemento fundamental para los robots?

Un motor de articulación para robots no debe considerarse simplemente un motor que produce rotación. En un sistema robótico moderno, la articulación es una unidad electromecánica completa en la que el motor, el reductor, el encoder, la electrónica de accionamiento, los rodamientos, la carcasa y el sistema de control trabajan conjuntamente.

Una arquitectura integrada típica puede representarse de la siguiente manera:

Motor + Reductor + Encoder + Controlador = Motor de articulación para robots integrado

Según la aplicación, también pueden integrarse en la articulación funciones adicionales como la detección del par, el frenado, la monitorización de la temperatura y las interfaces de comunicación.

Esta arquitectura cambia la forma en que los fabricantes de robots diseñan sus máquinas. En lugar de seleccionar cada componente por separado e integrarlos posteriormente en la articulación final, los ingenieros pueden utilizar un módulo articular estandarizado con interfaces mecánicas, eléctricas y de comunicación definidas.

Esto resulta especialmente valioso a medida que aumenta el número de articulaciones del robot. Un robot humanoide puede necesitar docenas de ejes accionados, mientras que un robot móvil equipado con un brazo robótico, una cabeza giratoria y un sistema de manipulación también puede contener múltiples articulaciones controladas de forma independiente.

Cuantas más articulaciones tenga un robot, mayor será el valor de una arquitectura de actuadores estandarizada y repetible.

Requisitos de los motores de articulación para robots humanoides

Los robots humanoides imponen algunos de los requisitos más exigentes a los motores de articulación para robots, ya que el actuador debe encajar en una estructura mecánica de escala humana y, al mismo tiempo, producir suficiente par para el movimiento dinámico.

Las articulaciones de la cadera, la rodilla y el tobillo pueden necesitar un par continuo y máximo elevado mientras soportan una parte considerable del peso del robot. Al mismo tiempo, las articulaciones del hombro, codo, muñeca y cuello requieren diferentes combinaciones de par, velocidad, compacidad y precisión de posicionamiento.

Esto significa que un robot humanoide no puede utilizar simplemente el mismo actuador idéntico en todo el cuerpo.

El actuador utilizado para una articulación de cadera puede priorizar una alta densidad de par y rigidez mecánica, mientras que un actuador de muñeca puede poner mayor énfasis en un peso reducido, dimensiones compactas y un posicionamiento preciso. Un actuador de cuello o cabeza puede requerir un par relativamente bajo, pero una excelente suavidad de movimiento y precisión angular de posicionamiento.

Por este motivo, una plataforma práctica de actuadores para robots humanoides suele necesitar varias clases de par y tamaño, manteniendo al mismo tiempo una arquitectura de sistema coherente.

El principal desafío consiste en lograr un rendimiento articular suficiente sin permitir que el actuador sea demasiado pesado o voluminoso. Cada kilogramo adicional en una articulación del robot puede afectar a la carga dinámica experimentada por las demás articulaciones, aumentar el consumo de energía y modificar las características generales de movimiento del robot.

Por eso, la densidad de par, la compacidad, la rigidez mecánica, el rendimiento térmico y la precisión de la realimentación se han convertido en criterios de evaluación importantes para los motores de articulación de robots humanoides.

Los motores de articulación para robots también son importantes en los robots con ruedas

Los robots con ruedas suelen analizarse principalmente en términos de su plataforma de movilidad, pero su arquitectura mecánica puede extenderse mucho más allá de la base móvil.

Un robot con ruedas moderno puede transportar un brazo robótico para realizar tareas de manipulación, una cabeza giratoria para la percepción, un mecanismo de giro e inclinación para posicionar sensores o un sistema de inspección multieje. Una vez que se incorporan estos mecanismos articulados, el robot necesita múltiples articulaciones rotativas controladas.

Por ejemplo, un manipulador móvil puede tener una cadena mecánica formada por una articulación de hombro, una articulación de codo, una articulación de muñeca y un mecanismo de efector final. El robot puede desplazarse por su entorno mediante una plataforma móvil, pero sus funciones de manipulación dependen de los mismos principios básicos que otros brazos robóticos: cada articulación rotativa necesita un par controlado, un posicionamiento preciso, una rigidez adecuada y una realimentación fiable.

El mismo principio se aplica a las cabezas robóticas.

Un robot de inspección con ruedas puede utilizar una cámara, un sensor de profundidad u otro sistema de percepción montado sobre una cabeza giratoria. La cabeza puede necesitar explorar continuamente su entorno, seguir un objetivo o mantener una orientación específica del sensor. En estas aplicaciones, el actuador no necesita necesariamente el par extremadamente elevado de una cadera o rodilla humanoide, pero una baja holgura, unas dimensiones compactas, una rotación suave y un control preciso de la posición pueden adquirir mayor importancia.

Por lo tanto, la aplicación de motores de articulación para robots en robots con ruedas no debe entenderse como un sustituto de su sistema principal de movilidad. Representa, más bien, el número creciente de funciones articuladas que el robot realiza más allá del movimiento básico.

Las diferentes articulaciones de los robots requieren distintas características del motor

Los requisitos de un motor de articulación para robots están determinados principalmente por la función de la articulación.

Esta comparación demuestra por qué no es suficiente seleccionar un motor de articulación para robots basándose únicamente en la potencia nominal.

Un actuador de alto par puede ser ideal para la rodilla de un robot humanoide, pero resultar innecesariamente grande para la cabeza de un robot. Por el contrario, un actuador optimizado para una baja inercia y un posicionamiento preciso puede no proporcionar suficiente par continuo para una articulación pesada de brazo robótico.

El enfoque correcto consiste en adaptar el actuador a los requisitos reales de par, velocidad, ciclo de trabajo, rigidez mecánica, espacio de instalación y realimentación de cada articulación.

¿Por qué los motores de articulación armónica resultan atractivos para las articulaciones robóticas?

Entre las diferentes tecnologías de transmisión, la transmisión armónica resulta especialmente atractiva para las articulaciones robóticas que requieren altas relaciones de reducción, baja holgura, dimensiones compactas y una alta precisión de posicionamiento.

Un motor de articulación para robots basado en transmisión armónica combina el motor con un reductor armónico para convertir la rotación del motor a alta velocidad en un movimiento de salida controlado y de alto par.

Para aplicaciones con estrictas limitaciones de espacio, esta arquitectura puede proporcionar un equilibrio útil entre el par de salida y el tamaño del conjunto.

La baja holgura es otra ventaja importante para las articulaciones robóticas de precisión. Cuando varias articulaciones trabajan conjuntamente, los errores de transmisión pueden afectar a la posición final del efector final o del cuerpo del robot. Por lo tanto, una transmisión de baja holgura puede ayudar a mejorar la controlabilidad general de la articulación.

Al mismo tiempo, la transmisión armónica no debe considerarse una solución universal para todas las articulaciones de robots. La relación de reducción, la velocidad de salida, la eficiencia, la capacidad de retroaccionamiento, la rigidez torsional, el rendimiento térmico y el ciclo de trabajo deben evaluarse conjuntamente.

Por este motivo, la pregunta adecuada no es si un motor de articulación armónica es mejor que cualquier otro actuador, sino si sus características coinciden con los requisitos específicos de la articulación objetivo.

Motor de articulación para robots integrado frente a motor y reductor independientes

Las articulaciones robóticas tradicionales suelen utilizar componentes independientes para el motor, el reductor, el encoder y el accionamiento. Este enfoque proporciona flexibilidad durante el desarrollo, ya que los ingenieros pueden sustituir o modificar cada componente de forma independiente.

Sin embargo, a medida que los sistemas robóticos avanzan hacia una mayor integración y mayores volúmenes de producción, las ventajas de un motor de articulación para robots integrado resultan cada vez más evidentes.

Cuando el motor, el reductor, el encoder y la electrónica se diseñan como un único módulo, las interfaces mecánicas pueden optimizarse desde el principio en lugar de resolverse durante el montaje final. La carcasa también puede diseñarse alrededor del motor y la transmisión para mejorar la rigidez estructural y la conducción térmica.

La integración también puede reducir la complejidad del cableado externo. Esto resulta especialmente valioso alrededor de las articulaciones giratorias, donde la flexión repetida de los cables y las interferencias pueden generar problemas de fiabilidad.

Otra ventaja importante es la uniformidad de fabricación. En lugar de montar y calibrar individualmente cada motor, reductor, encoder y accionamiento en la fábrica de robots, un módulo articular completo puede probarse y calibrarse antes de su entrega.

En robots con muchas articulaciones, esto puede reducir significativamente la complejidad del montaje y la puesta en servicio.

Sin embargo, la integración no significa automáticamente que todos los componentes deban introducirse físicamente en el menor espacio posible. Las rutas térmicas, los requisitos de mantenimiento, la posición de los sensores y la rigidez mecánica deben tenerse en cuenta durante el diseño inicial de la arquitectura articular.

Por lo tanto, una articulación verdaderamente integrada no es simplemente un conjunto de componentes colocados dentro de una misma carcasa. Es un sistema articular diseñado simultáneamente en función de los requisitos mecánicos, eléctricos, térmicos y de control.

¿Cómo elegir el motor de articulación para robots adecuado?

La selección de un motor de articulación para robots debe comenzar por el movimiento de salida requerido, no por la potencia nominal del motor.

En primer lugar, los ingenieros deben determinar el par de salida continuo y máximo requerido en las condiciones reales de funcionamiento. Una articulación robótica que solo alcanza su par máximo durante una fracción de segundo tiene requisitos muy diferentes de los de una articulación que mantiene continuamente una carga pesada.

La velocidad de salida es igualmente importante. El motor puede funcionar a una velocidad relativamente alta, pero el reductor determina la velocidad final de la articulación y el par de salida. Por lo tanto, la relación de reducción debe seleccionarse teniendo en cuenta tanto el par como la velocidad, en lugar de maximizar un único parámetro.

A continuación, la rigidez mecánica y la holgura deben evaluarse de acuerdo con los requisitos de precisión de la aplicación. Los brazos robóticos de alta precisión, las articulaciones humanoides y los mecanismos de posicionamiento pueden requerir características de transmisión significativamente diferentes de las de los mecanismos rotativos menos exigentes.

La arquitectura de realimentación es otra consideración importante. Un encoder situado en el lado del motor puede proporcionar un control del motor a alta velocidad, mientras que un encoder situado en el lado de salida puede proporcionar información más directa sobre la posición final de la articulación. Para aplicaciones robóticas avanzadas, las arquitecturas con doble encoder pueden proporcionar capacidades adicionales de control y realimentación.

El rendimiento térmico también debe evaluarse utilizando el ciclo de funcionamiento real. Los datos de par máximo de corta duración por sí solos no pueden representar con precisión el rendimiento de una articulación que funciona continuamente bajo cargas dinámicas.

Por último, los ingenieros deben tener en cuenta el peso y las dimensiones del actuador, la interfaz de comunicación, los requisitos de cableado, la estrategia de mantenimiento y el nivel de integración.

Por lo tanto, el mejor motor de articulación para robots no es necesariamente el que tiene el par o la potencia más elevados. Es el que proporciona el par, la velocidad, la precisión, la rigidez, el rendimiento térmico y la integración requeridos dentro del espacio mecánico disponible.

¿Por qué los motores de articulación modulares para robots son cada vez más importantes?

A medida que los fabricantes de robots desarrollan diferentes plataformas y generaciones de robots, aumenta la necesidad de plataformas de actuadores modulares.

Las diferentes articulaciones requieren distintos niveles de rendimiento, pero rediseñar la arquitectura eléctrica y mecánica completa para cada articulación genera trabajo de ingeniería innecesario.

Una plataforma modular de motores de articulación para robots puede ofrecer, en su lugar, varios tamaños de actuador y clases de par, manteniendo unos principios comunes de diseño mecánico y eléctrico.

Por ejemplo, un fabricante de robots podría utilizar un actuador de mayor par para la cadera de un robot humanoide, un actuador de tamaño medio para el codo y un actuador compacto para la muñeca o la cabeza del robot.

Los actuadores específicos pueden ser diferentes, pero la metodología general de desarrollo se mantiene constante.

Este enfoque puede acortar los ciclos de desarrollo, simplificar las pruebas y facilitar la transición de robots prototipo a plataformas de producción.

Por lo tanto, para los fabricantes que desarrollan múltiples productos robóticos, la modularidad puede ser tan importante como el rendimiento de un actuador individual.

El futuro de los motores de articulación para robots

El desarrollo de los motores de articulación para robots avanza hacia una integración más profunda.

Es probable que los futuros módulos actuadores combinen más funciones dentro de un conjunto mecánico estandarizado, incluido el motor, el reductor de precisión, el encoder, la electrónica de accionamiento, la detección del par, la monitorización de la temperatura, la comunicación y las funciones de seguridad.

Esto significa que la articulación del robot se convertirá cada vez más en una unidad electromecánica independiente capaz de recibir órdenes, generar par, medir su propio estado de funcionamiento y comunicarse con el controlador del robot.

La tendencia es especialmente visible en la robótica humanoide, pero la tecnología subyacente también puede servir de apoyo a brazos robóticos, manipuladores móviles, robots de inspección, robots colaborativos, robots cuadrúpedos y otros sistemas articulados.

El requisito común de estas plataformas no es la forma del robot ni su método de movilidad.

Es la necesidad de generar un movimiento rotativo preciso y controlado a partir de una articulación compacta y altamente integrada.

Conclusión

El motor de articulación para robots ya no es una categoría de componentes limitada a los robots humanoides.

Los robots humanoides requieren numerosos motores de articulación en la cadera, la rodilla, el tobillo, el hombro, el codo, la muñeca, el cuello y la mano. Mientras tanto, los robots con ruedas incorporan cada vez más brazos robóticos, cabezas giratorias, sistemas de giro e inclinación, mecanismos de inspección y otras estructuras articuladas que también dependen de articulaciones rotativas controladas.

Por lo tanto, la distinción importante no es si el robot es humanoide o tiene ruedas.

La cuestión es qué necesita realizar cada articulación.

Las articulaciones humanoides sometidas a cargas elevadas pueden priorizar la densidad de par, la rigidez, la capacidad térmica y la respuesta dinámica. Las articulaciones de los brazos robóticos pueden requerir un equilibrio entre par, velocidad, precisión y repetibilidad. Las cabezas robóticas y los mecanismos de giro e inclinación pueden poner mayor énfasis en una baja holgura, la precisión de posicionamiento, la compacidad y la suavidad del movimiento.

Por eso, la selección del motor de articulación para robots debe comenzar por los requisitos reales de la articulación, no por la categoría general del robot.

Para robots humanoides, manipuladores móviles, robots de inspección, brazos robóticos y otros sistemas robóticos articulados, un motor de articulación para robots integrado que combine un motor, un reductor de precisión, un encoder y un accionamiento puede proporcionar una base estandarizada para construir articulaciones robóticas compactas y de alto rendimiento.

El futuro del accionamiento robótico no consiste simplemente en fabricar un motor más potente. Consiste en crear un módulo articular que integre la generación de par, la transmisión, la realimentación, el control y la estructura mecánica en un sistema optimizado para los requisitos específicos de movimiento del robot.