El corazón del movimiento robótico: el papel decisivo de los motores en la precisión

 

Los motores como hardware central que impulsa el movimiento del robot

Como fuente de par motor, los motores son cruciales en la aplicación de articulaciones robóticas. Un motor, comúnmente denominado "motor", es un dispositivo que convierte o transmite energía eléctrica según la ley de inducción electromagnética, representada por la letra "M" en los circuitos. Su función principal es generar par motor, proporcionando energía para diversos aparatos eléctricos y dispositivos mecánicos.

 

En el campo de la robótica, el sistema articular es un componente clave para lograr diversos movimientos, considerándose los motores articulares como la unidad de ejecución de todo el sistema. Una articulación de robot completa normalmente incluye un impulsor, un controlador y un motor de articulación. El motor de la articulación no sólo debe realizar tareas como reducir la velocidad, transmitir y mejorar el par, sino que también debe controlar el movimiento de la articulación con alta precisión.

 

El motor de la articulación del robot influye directamente en acciones complejas como caminar, correr y saltar. Se le conoce como el "corazón" del robot y su rendimiento juega un papel decisivo en la precisión y eficiencia del robot.

 

Motor sin núcleo: la fuerza impulsora detrás de la tecnología de articulación robótica

En los últimos años, los motores sin núcleo se han convertido gradualmente en los favoritos en el campo de la robótica debido a sus características de alta eficiencia, peso ligero y respuesta rápida. En comparación con los motores tradicionales, los motores sin núcleo, cuyo rotor adopta una estructura de copa hueca y una inercia extremadamente baja, pueden responder de manera más sensible a las señales de control. Esta característica es ideal para articulaciones de robots, especialmente en escenarios que requieren movimientos rápidos y precisos, como robots humanoides que realizan acciones sutiles o complejas.

 

Historia y aplicación generalizada de los motores.

La historia de los motores se remonta al siglo XIX. En 1820, el físico danés Hans Christian Ørsted descubrió el efecto magnético de las corrientes eléctricas, sentando las bases de la teoría electromagnética. Al año siguiente, el científico británico Michael Faraday creó el primer modelo experimental de motor eléctrico. Desde entonces, la tecnología del motor ha evolucionado continuamente y poco a poco se ha convertido en una parte indispensable de la producción industrial y de la vida diaria.

 

Los motores tradicionales suelen consistir en un devanado de estator, una armadura o rotor giratorio y otros accesorios. A través del campo magnético giratorio generado por el devanado del estator, la armadura produce corriente y gira bajo la fuerza del campo magnético. Este principio de diseño se ha mantenido hasta el día de hoy, pero los motores de nueva generación, como los motores sin núcleo, han logrado avances revolucionarios en materiales y estructura, lo que los ha hecho brillar en la tecnología robótica.

 

Gráfico: Historia del desarrollo de los motores

 

 

Existen varios tipos de motores que se pueden clasificar según diferentes dimensiones, como rango de aplicación, características estructurales y principios de funcionamiento. Las principales clasificaciones son las siguientes:

• Por tipo de potencia de trabajo: motores DC y motores AC.
• Por estructura y principio de funcionamiento: incluidos motores CC, motores asíncronos y motores síncronos.
• Por aplicación: motores de accionamiento, motores de control, etc.

 

Tomando como ejemplo los motores de CC, su estructura suele consistir en un estator y un rotor:

• Estator: La parte fija del motor que genera el campo magnético.
• Rotor: El componente central responsable de la rotación y la conversión de energía, también llamado armadura, que es el centro de salida de potencia del motor.

Al igual que los motores de CC, los motores de CA también constan del estator y el rotor como componentes centrales, además de la carcasa y otras piezas auxiliares. Ya sean motores de CC o CA, la coordinación de estos componentes centrales determina el rendimiento del motor.

 

En la tecnología de robots destacan los motores sin núcleo. Su diseño exclusivo elimina el núcleo de hierro, lo que permite que el estator y el rotor encajen de manera más liviana y compacta, lo que no solo reduce la inercia sino que también mejora la velocidad de respuesta y la eficiencia, lo que los hace perfectos para uniones de robots de pequeño volumen y alta precisión.

 

Motores integrados: la combinación perfecta de tamaño reducido y eficiencia mejorada

Los motores pueden funcionar como componentes independientes, pero en muchos dispositivos modernos, a menudo se integran con otras piezas para formar sistemas unificados y eficientes. Este diseño integrado no sólo reduce el tamaño total del dispositivo sino que también mejora la utilización del espacio y el rendimiento. Por ejemplo:

• Accionamiento eléctrico tres en uno: la integración del motor, el reductor y el controlador del motor, ampliamente utilizado en vehículos eléctricos, reduce significativamente el tamaño y el peso del dispositivo.
• Propulsión eléctrica seis en uno: además del motor, el reductor y el controlador, incluye un convertidor CC/CC, un cargador y una caja de distribución, lo que optimiza aún más la utilización del espacio.
• Propulsión eléctrica ocho en uno: integra aún más el sistema de gestión de la batería y el controlador del vehículo, proporcionando una solución más compacta y eficiente para vehículos eléctricos.

En el campo de los robots humanoides, la aplicación de motores sin núcleo no solo logra un accionamiento de alta precisión de las articulaciones del robot sino que también promueve el diseño liviano y compacto de la estructura del robot. Por ejemplo, integrar un motor sin núcleo con un reductor y un controlador puede reducir efectivamente la ocupación del espacio articular y al mismo tiempo mejorar la velocidad de respuesta y la confiabilidad del sistema general.

 

En la tecnología robótica, la elección del motor determina directamente el rendimiento y la eficacia de la aplicación del equipo. Los motores comúnmente utilizados en robots incluyen principalmente los siguientes tres tipos: motores de CC, servomotores y motores paso a paso.

 

3.1 Motores CC

Los motores de CC se utilizan ampliamente en diversos campos y se dividen principalmente en dos tipos: motores de CC con escobillas y motores de CC sin escobillas.

 

3.1.1 Motores CC con escobillas

Los motores DC con escobillas son una tecnología de motor anterior, con las siguientes características:

• Estructura simple, bajo costo: confíe en el contacto entre las escobillas y el rotor para lograr la función de conmutación.
• Bajos requisitos de accionamiento: la velocidad del motor es directamente proporcional al voltaje aplicado, por lo que el control es más intuitivo.

 

Desventajas:

• El desgaste de las escobillas conlleva la necesidad de un mantenimiento frecuente.
• Las interferencias electromagnéticas se generan fácilmente durante el funcionamiento, con una confiabilidad relativamente baja.
• Vida útil más corta, lo que lo hace menos atractivo en el diseño de robots.

 

3.1.2 Motores CC sin escobillas

Los motores de CC sin escobillas son una versión mejorada de los motores de CC y destacan en varios aspectos:

• Uso de imanes permanentes: duraderos, de tamaño pequeño y de costo relativamente bajo.
• Conmutación electrónica: Reemplaza las escobillas tradicionales para lograr conmutación de campo magnético, mejorando la eficiencia y confiabilidad.
• Control preciso: a través de sensores de retroalimentación de posición (como sensores Hall, codificadores ópticos o dispositivos de detección de EMF traseros), los motores de CC sin escobillas pueden controlar la velocidad y la posición con mayor precisión.

 

Aunque el circuito de control es más complejo, los motores de CC sin escobillas superan significativamente a los motores con escobillas en rendimiento y vida útil, lo que los convierte en el tipo de motor preferido para los accionamientos de articulaciones de robots. En particular, los motores de CC sin núcleo y sin escobillas, con su alta eficiencia, baja inercia y respuesta rápida, son especialmente adecuados para aplicaciones de robots que requieren alta precisión y diseño liviano.

3.2 Servomotores

Los servomotores, también conocidos como motores de actuador, son los componentes principales de ejecución de los sistemas de control automático. Sus características incluyen:

• Posicionamiento de alta precisión: logra un desplazamiento angular o una salida de velocidad angular en el eje al recibir señales de pulso.
• Control de circuito cerrado: los servomotores pueden enviar señales de pulso correspondientes al ángulo de rotación, formando un sistema de circuito cerrado combinando señales de entrada, logrando así un control de rotación preciso.
• Clasificación de CC y CA: los servomotores se dividen en servomotores de CC y servomotores de CA. Si bien existen ligeras diferencias en el rendimiento y los escenarios de aplicación, ambos pueden ajustar con precisión la velocidad y la posición en función de las señales de control.
• Las características de alta precisión de los servomotores los hacen ampliamente utilizados en operaciones de precisión de efectores finales robóticos, como brazos y dedos robóticos.

3.3 Motores paso a paso

Los motores paso a paso son componentes de control de bucle abierto que convierten señales de pulsos eléctricos en desplazamiento angular o desplazamiento lineal. Sus características incluyen:

• Control de pasos: cada vez que se recibe una señal de pulso, el motor gira en un ángulo fijo de acuerdo con el ángulo de paso establecido.
• No hay necesidad de circuito cerrado: los motores paso a paso pueden lograr un control preciso del desplazamiento angular a través de señales de pulso eléctrico continuo sin retroalimentación de posición.
• Rentable: en comparación con los servomotores, los motores paso a paso son menos costosos y adecuados para aplicaciones con menores requisitos de precisión.
• Los motores paso a paso se utilizan comúnmente en componentes de bajo costo en estructuras de robots, como juntas simples, transmisiones de cintas transportadoras y más.

 

El robot humanoide Tesla Optimus utiliza 28 actuadores, con 14 actuadores lineales y 14 actuadores rotacionales. Estos actuadores son responsables de ayudar al robot a realizar acciones complejas como caminar y agarrar. En términos generales, los robots bípedos deben estar equipados con servomotores de 30 a 40 CC, que son de tamaño compacto y deben cumplir requisitos de alta potencia, alta densidad y respuesta rápida.

 

Optimus utiliza tres tipos de actuadores lineales y tres tipos de actuadores rotacionales. Entre ellos, los actuadores lineales incluyen motores de torsión sin núcleo y husillos de bolas de rodillos planetarios, mientras que los actuadores rotacionales combinan motores de torsión sin núcleo y reductores armónicos. La distribución específica de actuadores es la siguiente:

• Hombro: 6 actuadores rotacionales
• Codo: 2 actuadores lineales
• Muñeca: 2 actuadores lineales rotativos + 4
• Torso: 2 actuadores rotacionales
• Cadera: 4 actuadores lineales rotacionales + 2
• Rodilla: 2 actuadores lineales
• Tobillo: 4 actuadores lineales

Esta distribución de actuadores garantiza la flexibilidad y estabilidad del robot en entornos complejos.

 

Un motor de torsión sin núcleo es un servomotor liviano y de alta eficiencia, diseñado específicamente para juntas robóticas y otras aplicaciones de precisión. Su estructura única proporciona las siguientes características notables:

• Diseño modular, fácil de integrar: el motor de torsión sin núcleo consta de un estator y un rotor, sin la carcasa del motor tradicional. Este diseño permite a los ingenieros personalizar la carcasa, los cojinetes y los componentes del sensor según sus necesidades, haciéndolo adaptable a diversas estructuras del sistema.
• Tamaño compacto y peso ligero: en comparación con los motores con carcasa, el motor sin núcleo reduce significativamente el tamaño y el peso total, lo que lo hace ideal para sistemas que requieren soluciones integradas.
• Alto rendimiento y respuesta rápida: debido a su diseño único, el motor sin núcleo ofrece una respuesta dinámica rápida, satisfaciendo las demandas de movimiento de las articulaciones de alta precisión y eficiencia energética de los robots modernos.

Gracias a estas características, el motor de torsión sin núcleo se usa ampliamente en campos de conducción de alto rendimiento, incluidos robótica, automoción, aeroespacial y equipos médicos.

 

El motor de copa sin núcleo es un componente clave de las diestras manos del robot humanoide, particularmente adecuado para las articulaciones de los dedos en escenarios que requieren espacio limitado y alta precisión. Las articulaciones de los dedos normalmente necesitan motores miniaturizados que proporcionen una fuerza sustancial y al mismo tiempo garanticen un peso ligero y una alta precisión. Los principales fabricantes de robots, como Tesla, adoptan ampliamente la solución de motor de copa sin núcleo, que proporciona un apoyo energético ideal para la destreza manual del robot.

 

Ventajas principales de los motores de copa sin núcleo

Diseño sin engranajes, mejora la precisión y el funcionamiento suave: el motor de copa sin núcleo adopta un diseño sin núcleo y sin engranajes, eliminando por completo la vibración y el ruido causados ​​por el efecto de engranaje que se observa en los motores tradicionales. Esta característica mejora significativamente la suavidad del funcionamiento del motor, lo que lo hace excepcionalmente adecuado para el control de movimiento de alta precisión en las articulaciones de los dedos de robots humanoides.

 

Alta eficiencia y respuesta rápida: el motor de copa sin núcleo rompe la estructura tradicional del motor con núcleo de hierro al adoptar un diseño de rotor sin núcleo, lo que reduce en gran medida las pérdidas por corrientes parásitas y mejora la eficiencia del motor. Mientras tanto, la característica liviana del rotor le brinda excelentes capacidades de arranque y frenado, ofreciendo un rendimiento de respuesta dinámica que satisface las demandas precisas de acciones complejas.

 

Ahorro de energía y confiabilidad: al eliminar la pérdida de energía que se produce en los motores con núcleo de hierro, el motor de copa sin núcleo demuestra un rendimiento excepcional de ahorro de energía. Además, su estructura simplificada reduce la fricción mecánica, lo que mejora aún más la vida útil y la confiabilidad, garantizando un rendimiento estable incluso en operaciones de alta frecuencia.

 

Aplicación flexible en escenarios miniaturizados: con su tamaño compacto y diseño liviano, el motor de copa sin núcleo es ideal para unidades de movimiento en miniatura, como articulaciones de dedos y muñecas en robots humanoides. Además, su diseño sin engranajes y su alta eficiencia lo hacen ampliamente aplicable en campos como equipos médicos, instrumentos de precisión y aeroespacial.

 

Desarrollo tecnológico y perspectivas de futuro

El motor de copa sin núcleo, que integra eficiencia energética, alta precisión y estabilidad, representa un dispositivo de conversión de energía de alto rendimiento. A medida que la tecnología robótica continúa avanzando, el motor de copa sin núcleo optimizará aún más la producción de energía y la relación de volumen, empujando las diestras manos del robot humanoide hacia aplicaciones más eficientes en diversos escenarios.

 

Continuar leyendo:Por qué los robots humanoides abren un nuevo océano azul para aplicaciones de motores sin núcleo - Parte 1