Actuadores robóticos de 48 V: modelos, ventajas y restricciones de sistema

Un bus de 48 V no hace más fuerte a un actuador robótico. Entre los módulos CubeMars que mantiene esta plataforma, cada registro que publica a la vez una tensión nominal de 24 V y otra de 48 V incluye el mismo par nominal y la misma corriente nominal para ambas, y se divide solo en la columna de velocidad, donde la cifra de 48 V es aproximadamente el doble de la de 24 V. Ese patrón por sí solo reorganiza todo el asunto. Un bus de 48 V es una decisión eléctrica a nivel de máquina: lo que aporta es velocidad y margen de corriente de bus, no par, y las restricciones que deciden si puede utilizarse o no están fuera del actuador, en el controlador, el paquete de baterías y el mazo de cables. Dieciséis de los veintiún actuadores integrados listados actualmente en las categorías Actuadores robóticos y Actuadores QDD aceptan un bus de 48 V, y los cinco registros que no lo hacen se limitan a 24 V. Esta guía cubre qué modelos son compatibles, qué cambia un bus más alto en una articulación, dónde termina la ventaja y cómo tiene que diseñarse el sistema que lo rodea.

Respuesta rápida

Dieciséis de los veintiún actuadores integrados listados actualmente en esta plataforma aceptan un bus de 48 V, repartidos entre dos categorías de producto. En los registros de CubeMars, hacer funcionar un módulo de doble tensión a 48 V eleva el techo de velocidad hasta aproximadamente el doble de la cifra de 24 V y deja sin cambios el par nominal, el par máximo y la corriente nominal, porque el par lo fija la corriente del bobinado y el bobinado conduce la misma corriente para el mismo par en ambos casos. Lo que un bus más alto aporta también es margen en la parte alta del rango de velocidad, donde, de otro modo, la fuerza contraelectromotriz limitaría la corriente que el controlador puede entregar. Lo que no aporta es par continuo, ya que esa cifra está acotada por el camino térmico del bobinado y por el ciclo de trabajo. Las restricciones son de nivel de sistema y no de nivel de módulo: la propia ventana de entrada del controlador, la forma en que se absorbe la energía devuelta durante la deceleración, las prácticas de aislamiento y de conectores, y la disposición de paquete, cargador y gestión de batería que alimenta el bus. Las secciones siguientes siguen ese orden: qué cambia dentro del actuador, cuánto vale el cambio, cuánto cuesta acomodarlo, qué modelos se ven afectados y cómo emparejar uno con una articulación.

Qué cambia realmente un bus de 48 V dentro de un actuador robótico

El bus no es una propiedad del actuador. Es una propiedad de la máquina, y el módulo es una de las cargas de esta. Leer correctamente el registro de un actuador robótico de 48 V significa separar las dos columnas que un fabricante publica cuando un modelo admite más de un bus, y ser preciso sobre qué cifras se mueven cuando el bus se mueve. Para un módulo integrado que combina motor, etapa de reducción, controlador y realimentación, la división es más estrecha de lo que parece a primera vista.

El bus se elige fuera del módulo

Un actuador robótico ve un bus de corriente continua y una interfaz de control. Nada de la relación de reducción, la disposición de rodamientos, la envolvente o el patrón de montaje depende de que ese bus esté a 48 V o a un nivel inferior. Lo que el bus fija es la tensión disponible para el controlador y, a través del controlador, la velocidad a la que una corriente dada puede seguir siendo inyectada en el bobinado. La elección corresponde por tanto a quien diseña la máquina, junto con la topología del paquete, la selección del cargador y el presupuesto térmico de la carcasa en la que irá el módulo. Una ficha de actuador que publica dos tensiones de bus no ofrece dos productos; describe un producto en dos puntos de funcionamiento.

Un bus, dos valores publicados: qué significa un registro de 24/48 V

Cinco de los actuadores integrados listados aquí actualmente llevan una doble tensión de bus en lugar de una sola: AK10-9 V2.0 KV60, AK60-6 V3.0 KV80, AK70-10 KV100, AK80-64 KV80 y AKA60-6 KV80. Los registros publican dos velocidades nominales y dos velocidades en vacío, separadas por una barra, y en cada caso el conjunto es la cifra de 24 V seguida de la de 48 V. Los mismos registros publican un solo par nominal, una sola corriente nominal y un solo par máximo. Esa asimetría es toda la historia en una línea de una tabla de especificaciones: el trabajo eléctrico que realiza el módulo es función de la corriente, y la corriente necesaria para un par dado no cambia con el bus.

La doble tensión no es simplemente una cuestión de antigüedad o de versión. AK10-9 V3.0 KV60, la revisión posterior, publica una sola tensión de 48 V, mientras que el anterior AK10-9 V2.0 KV60 lleva ambas. La revisión posterior publica además un par máximo más alto, 53 Nm frente a 48 Nm, sobre una masa ligeramente menor. La compatibilidad de bus y la revisión mecánica tienen que leerse del registro, y no inferirse del número de modelo.

El par y la corriente no se mueven mientras la columna de velocidad se divide

Los pares publicados son lo bastante coherentes como para enunciar el efecto como una regla y no como una impresión. El AK10-9 V2.0 KV60 está especificado en 109 rpm a 24 V y 228 rpm a 48 V, con velocidades en vacío de 160 rpm y 320 rpm. El AK70-10 KV100 pasa de 148 rpm a 310 rpm nominales, y de 240 rpm a 480 rpm en vacío. El AK80-64 KV80, la unidad de 64:1, pasa de 23 rpm a 48 rpm nominales y de 37 rpm a 75 rpm en vacío. El AKA60-6 KV80 se duplica de 200 rpm a 400 rpm nominales y de 320 rpm a 640 rpm en vacío, y el AK60-6 V3.0 KV80 de 233 rpm a 490 rpm y de 320 rpm a 640 rpm. En los cinco, la cifra de 48 V se sitúa entre unas dos y unas 2.1 veces la de 24 V, tanto en el punto nominal como en el de vacío.

Frente a eso, ninguno de los cinco cambia el par nominal, el par máximo ni la corriente nominal entre las dos columnas. El AK60-6 V3.0 KV80 está especificado en 3 Nm y 3.8 A en ambos buses y alcanza un pico de 9 Nm en ambos; el par de corrientes de pico es 10.3 A y 11.2 A, lo bastante cercano como para que la pequeña diferencia sea más probablemente una convención de medición o de redondeo que un límite de bobinado distinto. La consecuencia práctica es que el bobinado pierde el mismo calor para un par dado en cualquiera de los dos buses, la pérdida en el cobre por newton metro no cambia y, por tanto, el límite térmico del par continuo es idéntico. Quien espere que un bus de 48 V libere más par continuo del mismo módulo está leyendo la columna equivocada.

Lo que no se mueve: la relación de reducción y la envolvente

La tensión de bus tampoco toca el registro mecánico. Un actuador robótico de 48 V tiene la misma relación de reducción, la misma clase de juego, el mismo diámetro exterior, la misma longitud de apilamiento y la misma masa que el mismo módulo funcionando con un bus inferior, porque ninguna de esas magnitudes está referenciada eléctricamente. El AK80-8 KV60 se mantiene en 8:1 y en 98 mm por 43.9 mm a cualquier lado de la decisión de bus. El AKH70-48 V1.0 KV41 se mantiene en 48:1 dentro de un cuerpo de 90 mm de diámetro y 81.5 mm de longitud. Esto importa para la secuencia de diseño: la envolvente y la relación pueden fijarse antes de que se resuelva la topología del paquete, y un paso posterior de 24 V a 48 V no reabre el diseño mecánico.

Ventajas de rendimiento de hacer funcionar actuadores robóticos en un bus de 48 V

La ventaja de un bus más alto se describe a menudo como eficiencia, y ese enfoque oculta dónde aparece realmente la ganancia. En un módulo integrado, la corriente del bobinado la fija el par que se pide a la articulación, y la etapa de reducción y el controlador se sitúan entre ese bobinado y el bus. Lo que el bus controla es la velocidad a la que todavía puede empujarse la corriente necesaria, y cuánta corriente tiene que recorrer el propio cableado de la máquina para entregar una potencia mecánica dada.

El techo de velocidad escala con el bus para el mismo KV

La velocidad en el motor la fijan la constante de velocidad del bobinado y la tensión disponible para inyectar corriente en este. Duplicar el bus manteniendo el bobinado eleva el techo en vacío, y la etapa de reducción divide ese techo hasta la articulación. Esto se ve directamente en los pares publicados y no mediante cálculo alguno: el AK10-9 V2.0 KV60 pasa de 160 rpm a 320 rpm en vacío, el AK70-10 KV100 de 240 rpm a 480 rpm, el AKA60-6 KV80 de 320 rpm a 640 rpm. En la articulación, un módulo con una relación fija ve por tanto duplicarse la velocidad disponible. Para una articulación cuyo servicio está dominado por la velocidad de seguimiento y no por el par de mantenimiento, esa es la diferencia entre un módulo que encaja en el pliego y uno que no. Es también la razón por la que un módulo de doble tensión puede especificarse para una plataforma que se espera que pase de un paquete de prototipo de menor tensión a un paquete de producción de 48 V sin cambiar la actuación.

La misma corriente transporta más potencia

La potencia mecánica es el producto del par por la velocidad. Si un módulo mantiene una corriente dada, y por tanto un par dado, hasta una velocidad mayor, la potencia mecánica disponible a partir de esa misma corriente sube en proporción. Esa es la forma honesta del argumento de la eficiencia: no es que el bobinado se vuelva más eficiente a 48 V, sino que el mismo presupuesto térmico, expresado como corriente en el bobinado, se convierte en más potencia de salida porque el punto de funcionamiento puede empujarse más arriba en el eje de velocidad antes de que el controlador se quede sin tensión. Donde una articulación necesita a la vez par y velocidad en lugar de uno u otro, el bus más alto eleva el techo del producto de ambos.

Dónde aparece el ahorro de corriente: el mazo de cables y el paquete

El ahorro es real, pero aparece a nivel de máquina y no dentro del módulo. Para una potencia mecánica dada, un bus al doble de tensión consume aproximadamente la mitad de corriente, y la corriente de bus es lo que dimensiona los cables, los conectores y la protección que los rodea. En una máquina con varios actuadores alimentados desde un bus común, esa reducción se propaga por el mazo de cables compartido, la placa de distribución y el propio camino de descarga del paquete. Importa más donde los enlaces son largos o donde muchas articulaciones se alimentan de un solo bus, y menos en un montaje de banco corto de una sola articulación. También cambia la forma del paquete: la misma energía se entrega con menos corriente por grupo de celdas, lo que reparte la carga a lo largo de una cadena en serie en lugar de concentrarla.

Margen para la ventana de pico en la parte alta del rango de velocidad

El par máximo es una cifra de ventana corta, y alcanzarlo con velocidad exige que el controlador venza la fuerza contraelectromotriz que genera el motor en giro antes de que pueda circular corriente alguna. Un bus más alto deja más tensión para eso, de modo que la ventana de par máximo sigue siendo alcanzable más arriba en el rango de velocidad. Es una ventaja distinta del techo de velocidad en vacío y a menudo es la razón práctica por la que una máquina pasa a un bus más alto: la articulación no necesita girar más rápido en régimen estacionario, pero necesita entregar una ráfaga corta de par mientras ya se mueve con rapidez. Un módulo de doble tensión publica el mismo par máximo en ambos buses, y el bus más alto es lo que hace alcanzable esa cifra en el extremo superior del rango de velocidad y no solo cerca del bloqueo.

Lo que el bus más alto no aporta

Un bus de 48 V no eleva el par nominal, no cambia la relación de reducción, no reduce el calor generado para un par de salida dado y no cambia la clase de juego ni la capacidad de los rodamientos. Tampoco cambia el rango de temperatura ambiente de funcionamiento publicado del módulo, que es la misma declaración en toda la familia. En un servicio dominado por el par de mantenimiento contra la gravedad a baja velocidad, el módulo no obtiene ninguna ventaja del bus más alto, y el trabajo adicional de regulación de tensión, protección y aislamiento es coste sin retorno. La decisión de bus debería tomarse según la forma del servicio par-velocidad, y no según la suposición de que más voltios es una mejora general.

Restricciones de sistema que deciden si el bus de 48 V es utilizable

Como el bus pertenece a la máquina, las restricciones para usarlo son en su mayoría restricciones de máquina. Algunas están publicadas en los registros de producto y pueden leerse directamente; otras dependen de la documentación del propio controlador y del diseño del paquete, y tienen que confirmarse a nivel de sistema. La lista siguiente separa unas de otras.

La ventana de tensión de entrada del controlador

El controlador del módulo es el componente que ve el bus, así que la ventana de entrada admisible de ese controlador es la primera puerta. Los registros de producto indican que los módulos llevan protección incorporada contra sobrecorriente, sobretensión y subtensión, y contra sobretemperatura, lo que significa que el controlador vigila el bus en el que está y no acepta cualquier tensión dentro de un rango amplio. La cifra de tensión nominal de la especificación es un punto de funcionamiento, no un máximo admisible. Cuando la intención de diseño es hacer funcionar un módulo en la parte alta de un ciclo de carga, o cuando el paquete puede cargarse mientras la máquina está alimentada, la ventana de entrada admisible y los umbrales de protección de ese módulo y ese firmware concretos deben confirmarse frente a la documentación actual del fabricante antes de especificar el paquete.

Regeneración, transitorios de bus y adónde va la energía devuelta

Toda articulación que decelera una carga retroacciona el motor, y un motor retroaccionado se convierte en un generador que devuelve energía al bus en lugar de tomarla de este. En un bus alimentado solo por una batería, esa energía tiene adónde ir. En una fuente de banco, o en un bus con un tramo de cable largo y capacidad limitada, la energía devuelta puede empujar el bus por encima del nivel estacionario durante la deceleración, y el transitorio pasa a ser un problema de diseño del sistema y no del módulo: el dimensionado de la capacidad, las disposiciones de frenado y la respuesta de la fuente entran todos en el cálculo. La cifra relevante no es la tensión nominal de bus sino la energía que devuelve un perfil de deceleración concreto, que depende de la inercia de la carga, la velocidad de la articulación y el ciclo de trabajo. Ese perfil tiene que derivarse de la máquina, no leerse del registro del actuador.

Aislamiento, conectores y la línea de 60 V de corriente continua

Los marcos de seguridad eléctrica suelen considerar que un bus de corriente continua de 48 V nominales cae dentro del rango tratado como tensión muy baja de seguridad (safety extra-low voltage), por debajo del umbral de 60 V de corriente continua que aparece en varias normas nacionales e internacionales, lo que es una de las razones de la popularidad de esta tensión en máquinas móviles. La norma aplicable y la implementación local de esta siguen siendo los documentos rectores, y el umbral se aplica a la tensión de bus máxima real y no a la cifra nominal. Las capacidades térmicas y de corriente en las propias interfaces del módulo son cuestiones aparte, y la práctica de conectores y cableado especificada para una máquina debería seguir lo que el fabricante del módulo publica para esa interfaz y no una suposición general sobre la clase de tensión.

Consecuencias para el paquete, el cargador y el BMS

Un bus de 48 V nominales suele construirse a partir de una cadena en serie de celdas de ion litio, y la tensión de plena carga de la cadena se sitúa por encima de la cifra nominal, lo que es una propiedad de la química de la celda y no una especificación de ningún actuador. De ahí se siguen dos consecuencias. Primera, todo lo que va aguas abajo tiene que tolerar la parte alta del rango de carga y no solo el nivel nominal. Segunda, el sistema de gestión de batería (BMS) del paquete, el perfil de carga y el corte de descarga definen lo que el actuador ve realmente, incluso durante las breves excursiones que produce una articulación en deceleración. Cuando la ventana admisible de un actuador y el rango de funcionamiento de un paquete se publican en documentos distintos, la intersección es la ventana de diseño, y merece la pena anotar esa intersección en lugar de suponer que las cifras nominales coinciden.

Comportamiento térmico y ciclo de trabajo

El límite térmico del par continuo pertenece al bobinado y al camino que sigue el calor para salir de este, y no se mueve con el bus. Una articulación térmicamente justa con el bus inferior sigue siendo térmicamente justa a 48 V, porque la corriente y por tanto la pérdida en el cobre para un par dado no cambian. Lo que el bus más alto cambia es el reparto entre la pérdida en el cobre y la salida mecánica disponible a partir de esta. En un servicio con fases de mantenimiento largas a baja velocidad, o con una proporción alta de tiempo cerca del par nominal, el diseño térmico es la restricción determinante y la decisión de bus es secundaria. En un servicio dominado por movimientos rápidos y poco cargados, el techo de velocidad es determinante en su lugar, y la decisión de bus es primaria.

Las preguntas que la documentación publicada deja abiertas

No todas las cifras necesarias para cerrar un diseño de sistema aparecen en una página de producto. La ventana de entrada admisible y los umbrales de protección del controlador, el comportamiento del módulo bajo un perfil de deceleración concreto, la reducción de par que se aplica cuando el módulo funciona en la parte alta de su rango de velocidad durante un periodo prolongado y el par continuo específico del servicio son cuestiones de sistema y no valores publicados en una página de producto. Tienen respuesta, y la documentación de control y el soporte de aplicaciones del fabricante son la fuente adecuada, pero deben confirmarse antes de congelar el paquete y el mazo de cables. Tomar la cifra de tensión nominal como el bus admisible y la cifra de par máximo como un par disponible es la manera más común de dimensionar mal un diseño de 48 V.

Actuadores robóticos de 48 V: matriz comparativa de especificaciones

La tabla siguiente lee cada actuador robótico de 48 V listado actualmente en la categoría Actuadores robóticos como un solo conjunto de especificaciones, ordenado por par nominal publicado de modo que la transición de las articulaciones ligeras a las portantes sea visible en la propia columna. Cada cifra es el valor que el fabricante publica para ese modelo y que esta plataforma mantiene en los registros de producto. La tensión nominal se muestra tal como se publica, así que un registro de doble tensión aparece con ambos niveles.

Tensión nominal, par nominal, par máximo, relación de reducción, masa y envolvente según lo publicado por el fabricante, para los modelos listados actualmente en la categoría Actuadores robóticos que aceptan un bus de 48 V, ordenados por par nominal. El par nominal es la cifra continua dentro de los límites térmicos del bobinado; el par máximo es una cifra de ventana corta. Una sola cifra de tensión significa un módulo de un solo bus; una cifra doble significa que el módulo se publica en ambos niveles, con las correspondientes cifras de velocidad y potencia también publicadas por separado para cada uno. La envolvente se da como diámetro exterior por longitud de cuerpo y excluye el voladizo del eje, el cable y el conector.

Dos cosas destacan cuando la matriz se lee hacia abajo por la columna de par en lugar de horizontalmente por la columna de tensión. La primera es que los módulos que llegan a 48 V no son una familia de producto distinta: van de una unidad de 3 Nm en un cuerpo de 79 mm a una unidad de 74 Nm con 1396 g, y los dos módulos de 6:1 se sitúan en la parte baja de la tabla mientras que un escalón de par de 24:1 aparece entre el registro de 24 Nm y el de 48 Nm. La segunda es que la compatibilidad de bus es casi universal en esta categoría. De los dieciocho registros listados actualmente, catorce aceptan 48 V; los cuatro que no lo hacen están todos en el extremo ligero del rango, y cada uno se publica con una sola tensión de 24 V. Una máquina construida en torno a 48 V dispone por tanto de una amplia elección de tamaños de articulación de un mismo fabricante y no de una lista corta y estrecha.

Leer la tabla como una lista corta también muestra por qué la tensión por sí sola es un mal filtro. El AK60-6 V3.0 KV80 y el AKA60-6 KV80 publican el mismo par nominal y máximo, la misma relación y la misma compatibilidad de bus, y difieren principalmente en el empaquetado: la unidad AKA pesa 80 g más y es 8.2 mm más larga, con un diámetro ligeramente menor. El AK10-9 V3.0 KV60 y el AKA10-9 KV60 publican cifras de par y de relación idénticas también, y difieren en 120 g de masa. Esas elecciones tienen que ver con la estructura y la integración, no con el bus, y deberían tomarse según el pliego mecánico.

Leer los dieciséis por servicio y no por tensión

Como la compatibilidad de bus es casi universal en toda la categoría, la forma útil de acotar la lista es por el servicio al que se adapta cada módulo. Los grupos siguientes siguen el par y la relación publicados y no la tensión, ya que esas dos cifras son contra las que se escribe un requisito de articulación.

El par de 6:1: AKA60-6 KV80 y AK60-6 V3.0 KV80

Ambos módulos publican 3 Nm nominales y 9 Nm de par máximo con una relación de 6:1, y ambos aceptan 48 V. La relación baja los convierte en las articulaciones más rápidas del grupo de 48 V en relación con el par de salida: el AK60-6 V3.0 KV80 publica 320 rpm en vacío a 24 V y 640 rpm a 48 V, y el AKA60-6 KV80 publica el mismo par de valores. En un bus de 48 V, cualquiera de las dos unidades alcanza una velocidad del lado de la articulación a la que no se acerca ningún módulo de relación más alta de la tabla. La diferencia entre ambas es el empaquetado y la masa: el AK60-6 V3.0 KV80 es el más ligero de los dos con 380 g en un cuerpo de 79 mm por 43 mm, mientras que el AKA60-6 KV80 pesa 460 g en un cuerpo de 80 mm por 51.2 mm. Ambos se adaptan a un eje distal que tiene que moverse con rapidez bajo carga ligera, y ninguno se adapta a un eje que tiene que sostener un par estático grande.

La zona media de 8:1, 9:1 y 10:1

Cuatro módulos ocupan esta banda a 48 V, y la dispersión es mayor de lo que sugieren las cifras de relación. El AK80-9 V3.0 KV100 publica 9 Nm nominales y 22 Nm de par máximo a 9:1 en un cuerpo de 490 g y 98 mm por 38.5 mm. El AK80-8 KV60 publica 10 Nm y 25 Nm a 8:1 con 570 g en un cuerpo de 98 mm por 43.9 mm. El AK70-10 KV100 publica 8.3 Nm y 24.8 Nm a 10:1 en un cuerpo de 621 g y 89 mm por 50.25 mm, y el AK70-9 V3.0 KV60 publica 8.5 Nm y 29.2 Nm a 9:1 con 540 g. Relaciones tan próximas son un rango de ajuste fino y no un conjunto de regímenes de funcionamiento distintos, y la elección dentro de la banda suele depender de la envolvente, de la masa y de cuánta velocidad necesita la articulación en la parte alta de su rango. El AK70-9 V3.0 KV60 es el que hay que vigilar cuando el par máximo importa más que el par continuo, ya que los 29.2 Nm de pico son los más altos de la banda sobre la masa más baja de los cuatro.

Las articulaciones pesadas: AK60-39 V3.0 KV80, AK80-64 KV80, AKA10-9 KV60 y AK10-9 V3.0 KV60

Por encima de 18 Nm nominales la tabla se divide en dos enfoques. El AK10-9 V3.0 KV60 y el AKA10-9 KV60 toman ambos la vía de relación alta a 9:1 y publican 18 Nm nominales con 53 Nm de par máximo, en 940 g y 1060 g respectivamente; el bus más alto es lo que hace utilizable la relación 9:1 a una velocidad del lado de la articulación, ya que la cifra de 320 rpm en vacío a 48 V es lo que un módulo de 9:1 puede ofrecer. El AK60-39 V3.0 KV80 y el AK80-64 KV80 toman la otra vía, cambiando velocidad por par a través de la etapa de reducción: 39:1 da 24 Nm nominales y 72 Nm de par máximo con 750 g, y 64:1 da 48 Nm nominales y 120 Nm de par máximo con 850 g a una velocidad en vacío de 37 rpm a 24 V y 75 rpm a 48 V. Donde una articulación tiene que sostener una carga contra la gravedad durante periodos largos, ese par por unidad de corriente, comprado con la relación y no con el bus, es el mecanismo que actúa.

Eje hueco: AKH70-16 V1.0 KV41 y AKH70-48 V1.0 KV41

Los dos módulos de eje hueco se distinguen por las relaciones de reducción y no por el bus, y los números de modelo invitan a una lectura errónea que merece la pena aclarar. El «48» de AKH70-48 V1.0 KV41 es una relación de reducción de 48:1, no una tensión de 48 V; el mismo módulo se publica a 48 V, y también el AKH70-16 V1.0 KV41 a 16:1. Ambos funcionan con el mismo bobinado de KV41. El AKH70-16 V1.0 KV41 publica 26 Nm nominales y 78 Nm de par máximo con 879 g, y el AKH70-48 V1.0 KV41 publica 74 Nm y 222 Nm con 1396 g y 81.5 mm de longitud de cuerpo. Lo que hace distintivo al par es el taladro: el eje hueco lleva los cables a través de la articulación, lo que cambia la arquitectura del mazo de cables de un miembro multiarticulado y no el par de la articulación. La unidad de 48:1 es el módulo de 48 V con más par listado actualmente aquí, y la unidad de 16:1 es el escalón intermedio para una articulación que necesita el taladro sin la velocidad de salida tan baja que acompaña a una relación de 48:1.

Los dos módulos de accionamiento cuasi directo: AKE80-8 KV30 y AKE90-8 KV35

La otra categoría que aporta módulos de 48 V a esta comparación es Actuadores QDD, y los dos miembros de 48 V se comportan de forma distinta a la serie AK de un modo que importa para el diseño del sistema. El AKE80-8 KV30 publica 12 Nm nominales y 30 Nm de par máximo a 8:1 con 570 g en un cuerpo de 87 mm por 32 mm, y el AKE90-8 KV35 publica 55 Nm nominales y 170 Nm de par máximo a 8:1 con 1400 g en un cuerpo de 107.5 mm por 43.5 mm. Ambos se construyen en torno a una relación de 8:1, que es la característica definitoria de la familia y la razón por la que el grupo se trata por separado: la relación baja mantiene la articulación ágil y retroaccionable, y el par viene del motor y no de una etapa de reducción profunda. El tercer miembro de la familia, el AKE60-8 KV80, se publica solo a 24 V, que es por lo que no aparece en la comparación de 48 V pese a estar en la misma categoría.

El punto de diseño de sistema es que la tabla comparativa del fabricante lista los módulos AKE sin placa controladora, mientras que los módulos AK y AKH se listan con una, y el paquete de accesorios del AKE80-8 KV30 contiene un imán de detección separado en lugar de electrónica de accionamiento. Eso es una diferencia a nivel de sistema y no una diferencia de capacidad: el módulo sigue publicando un método de accionamiento FOC y la misma integración atornillada, pero el accionamiento y la ventana de tensión de este quedan fuera del módulo, en la propia electrónica de la máquina, de modo que la ventana de entrada, la disposición de protección y el mazo de cables tienen que especificarse por parte del integrador. Donde la serie AK llega con el controlador dentro de la envolvente, la serie AKE traslada esa decisión a la máquina. La disposición para un módulo concreto, incluida la electrónica de realimentación que espera, debe confirmarse frente a la documentación actual del fabricante antes de congelar la arquitectura eléctrica.

Diseñar una articulación para 24 V y para 48 V

Los cinco módulos de doble tensión hacen disponible una opción de ingeniería concreta, y merece la pena enunciarla con precisión. Una máquina puede especificarse en torno a un módulo cuyo bobinado se publica en ambos niveles, y funcionar después con el bus inferior durante el prototipado y con el bus superior en producción, con la misma relación de reducción, la misma envolvente, la misma masa y el mismo par nominal en todo momento. Solo cambian el techo de velocidad y la potencia disponible para una corriente dada. La tabla siguiente expone los pares de velocidad publicados de esos cinco, que es el cambio completo.

Velocidad nominal, velocidad en vacío y relación de reducción según lo publicado por el fabricante para los módulos de doble tensión listados actualmente en la categoría Actuadores robóticos, con las cifras de 24 V y 48 V mostradas en columnas separadas. La velocidad nominal es la cifra del lado de salida con par nominal; la velocidad en vacío es el techo del lado de salida. En cada registro las dos columnas comparten un par nominal, un par máximo y una corriente nominal, que es lo que hace utilizable el par como una sola especificación mecánica con dos puntos de funcionamiento eléctricos.

Emparejar un actuador robótico de 48 V con la articulación

La secuencia que evita retrabajos es corta, y empieza antes de que aparezca ningún número de modelo. El bus es una de las últimas decisiones y no la primera, porque solo cambia el punto de funcionamiento eléctrico de un módulo cuyo papel mecánico ya está fijado.

Fijar el servicio antes que el bus

El requisito de la articulación es una velocidad y un par, cada uno con una duración asociada. El par continuo contra la gravedad, una ventana corta para una captura o un aterrizaje, y la velocidad de articulación que necesita el perfil de movimiento en la parte alta de su rango son tres cifras separadas, y un módulo se elige por las tres. Solo después de anotarlas se vuelve respondible la decisión de bus: si la cifra de par continuo impulsa la elección, la relación y el camino térmico hacen el trabajo y el bus es secundario; si lo que aprieta el pliego es la velocidad en la parte alta del rango, el bus es la palanca y un módulo de doble tensión mantiene la opción abierta. Anotar la cifra de par máximo sin la duración de este es la manera más común de sobredimensionar una articulación, porque el par máximo es un valor de ventana corta y no un par disponible.

Fijar después el taladro y la envolvente de montaje

Una vez fijado el servicio, el pliego mecánico decide entre candidatos que publican un par similar. Dos módulos con cifras de par nominal y máximo idénticas pueden diferir en más de cien gramos y en varios milímetros de longitud de cuerpo, y en un miembro multiarticulado esa diferencia se paga de nuevo en cada articulación más cercana a la base. Donde los cables tienen que pasar a través de la articulación en lugar de rodearla, la opción de eje hueco cambia la arquitectura del mazo de cables de todo el miembro, y el taladro de 7 mm de los módulos AKH es la dimensión relevante y no el par de estos. La masa, la envolvente y el taladro se deciden a partir del pliego mecánico y no se ven afectados por el bus, que es por lo que resolverlos primero deja libre la decisión de tensión.

Confirmar los valores que la documentación publicada no recoge

Queda un conjunto corto de preguntas cuando la lista se reduce a uno o dos candidatos, y pertenecen al fabricante y no a una tabla de especificaciones. La ventana de tensión de entrada admisible del controlador y los umbrales de protección de este, el par que puede mantenerse en la parte alta del rango de velocidad durante el tiempo que el servicio necesita realmente, el comportamiento del módulo bajo el perfil de deceleración que producirá la máquina y la disposición de realimentación que espera un módulo sin controlador integrado. Los registros de esta plataforma recogen los valores publicados, y el fabricante sigue siendo la fuente de referencia para todo lo que va más allá de ellos.

Dónde se utilizan los actuadores robóticos de 48 V

Un bus de 48 V tiende a aparecer allí donde la máquina se alimenta con batería y donde más de una articulación se alimenta de una fuente común. Vale la pena leer el patrón como una arquitectura eléctrica y no como una categoría de producto, porque el mismo módulo aparece en varios tipos de máquina.

Plataformas con patas y con ruedas alimentadas por batería

Las plataformas con patas y las bases móviles con ruedas llevan su propia energía y la distribuyen a varias articulaciones. Tanto el ahorro de corriente a lo largo de un mazo compartido como la velocidad que el bus más alto pone a disposición en la articulación merecen la pena, y una pierna que decelera devuelve energía al mismo bus que alimenta a las demás, que es por lo que el paquete y la disposición de protección a su alrededor forman parte del diseño y no son un añadido tardío. Los módulos de 48 V de las bandas media y pesada de la matriz son los que suelen preseleccionarse para ejes de cadera y de rodilla, con el par de 6:1 sirviendo a articulaciones más rápidas y ligeras.

Brazos colaborativos y manipuladores

Un brazo colaborativo concentra varios módulos en una cadena cinemática corta, donde la masa en el extremo distal se cobra de nuevo en cada articulación por encima de esta. El ahorro de corriente importa aquí menos que el techo de velocidad, porque el servicio de un brazo está dominado por el seguimiento y el alcance y no por fases largas de mantenimiento a par alto. Los módulos de eje hueco cambian la arquitectura del mazo de cables de esa cadena al llevar los cables a través de las articulaciones en lugar de rodearlas. La comparación relevante para esta clase de máquina es Qué buscar en un motor BLDC para un brazo de robot colaborativo.

Exoesqueletos y equipos de rehabilitación

El hardware vestible añade un requisito que no aparece en el registro del actuador: la articulación tiene que comportarse de forma aceptable cuando una persona la retroacciona en lugar de cuando recibe una orden. Eso hace centrales la relación y el comportamiento de retroaccionamiento del módulo, que es por lo que la familia de accionamiento cuasi directo de 8:1 se preselecciona para esta clase junto con el extremo de relación baja de la gama AK, y por lo que la decisión de bus sigue al comportamiento de cara a quien lo lleva y no lo precede. La elección más amplia se expone en Motores BLDC para exoesqueleto: motor de par sin carcasa frente a actuador integrado.

Manipulación móvil y equipos de campo

Donde una máquina combina una base móvil con un brazo, el bus tiene que servir a articulaciones de tamaños y servicios muy distintos desde una sola fuente, y la corriente que consume la articulación más grande fija el dimensionado del camino compartido. Esa es la situación en la que el ahorro de corriente de un bus más alto vale más, y en la que el conjunto de restricciones de la sección anterior, desde la ventana de entrada del controlador pasando por el paquete y el cargador hasta la disposición de protección, tiene que resolverse en toda la máquina y no dentro de un módulo.

Preguntas frecuentes

Recursos oficiales

CubeMars publica una página de producto oficial para cada actuador con la especificación completa, los planos y la documentación de control, y esas páginas siguen siendo la fuente de referencia para cada cifra citada aquí; por ejemplo, la página de producto del AK70-10 KV100, la página de producto del AK80-64 KV80 y la página de producto del AKH70-48 V1.0 KV41. Los detalles que una página de producto no recoge, incluida la ventana de entrada admisible del controlador, los umbrales de protección de este y la reducción de par que se aplica bajo un servicio concreto, deben confirmarse con la documentación actual del fabricante antes de especificar un paquete. Esta plataforma mantiene los valores publicados en los registros de producto y los mantiene consultables y comparables; el fabricante sigue siendo la fuente de referencia para el diseño.

Dónde ir después

Cuando el objetivo es preseleccionar y no leer, tres herramientas de la plataforma hacen el trabajo en secuencia. Explorar la categoría completa de Actuadores robóticos para ver cada modelo y cada especificación en paralelo, usar Selección para acotar por par, tensión y masa, y después colocar los candidatos en Comparar productos. Donde la articulación tiene que ser complaciente por diseño y no rígida, la categoría de Actuadores QDD es la siguiente parada natural, y el argumento de relación que hay detrás de esa familia se expone en Actuadores QDD: qué aporta una relación 8:1.

Otros dos artículos recogen las partes de este tema que una decisión de bus no resuelve. Actuadores robóticos: elección del actuador integrado para articulaciones recorre la estructura interna de un módulo integrado y los ejes de especificación que deciden una elección. Cómo elegir un módulo de articulación: cinco actuadores CubeMars de 190 g a 1.4 kg sigue los mismos módulos por posición de articulación, desde la muñeca hasta la cadera pesada, y es el complemento adecuado cuando el pliego mecánico está resuelto pero el tamaño de la articulación no.

La versión corta: fijar primero el servicio de la articulación, fijar después el taladro y la envolvente, y decidir luego el bus a partir de la cifra de la que el servicio realmente carece. El bus de 48 V aporta velocidad y margen de corriente y deja el par donde estaba, y todo lo que va más allá, desde la ventana del controlador hasta el paquete, es una decisión de sistema que debería anotarse antes de pedir el hardware.