Motores BLDC para robot humanoide: cómo casar par, velocidad y tamaño

Un robot humanoide es un problema de par repartido por cada articulación accionada del cuerpo, y las tres cifras que describen cada una de esas articulaciones —cuánto par debe sostener, con qué rapidez debe moverse y cuánta masa puede cargar el miembro— no son independientes entre sí. Mover una obliga a las otras dos. Elegir un motor BLDC para un robot humanoide significa, por tanto, encontrar el punto en el que las tres curvas se cruzan para cada articulación, una por una, y comprobar después que el registro publicado respalda de verdad el punto elegido. Equivocar el orden hace que la máquina no pueda levantarse o no pueda levantar sus propios pies.

Respuesta rápida

Las tres cantidades están ligadas por dos variables: la relación de reducción entre motor y articulación, y la tensión de bus a la que funciona el motor. Una relación baja como 6:1 mantiene la articulación rápida y retroaccionable, pero exige un motor grande para producir un par útil; una relación alta como 64:1 produce un par grande a partir de un motor pequeño, pero gasta velocidad y buena parte de la capacidad de la articulación de dejarse empujar por una carga externa. La relación se elige a partir del ciclo de trabajo de la articulación, la masa se sigue de la relación y del par, y el par de pico publicado es una afirmación de ventana corta que no debe usarse como cifra de trabajo.

En ToBMS, la aplicación Robot humanoide reúne los actuadores integrados CubeMars que sirven a las articulaciones de robot humanoide, desde una unidad de 262 g con una etapa 10:1 hasta una unidad de eje hueco de 1396 g con 222 Nm de par de pico publicado. Esta guía expone cómo se ajustan par, velocidad y tamaño articulación por articulación, y lee ocho de esas unidades como un único conjunto de especificaciones.

Por qué una articulación de robot humanoide es un compromiso entre par, velocidad y tamaño

Una plataforma humanoide se diferencia de las demás máquinas en que su estructura y su carga útil son el mismo objeto. Un brazo industrial está anclado, sus eslabones solo tienen que cargar con su propia inercia y con la herramienta, y la base puede hacerse tan pesada como tolere el cliente. Un robot humanoide tiene que llevar sus actuadores, su batería y su electrónica en los mismos miembros que hacen el trabajo, y esos miembros además tienen que moverse con precisión suficiente para mantener el equilibrio. Cada gramo añadido en la rodilla es un gramo que la cadera debe balancear, y cada gramo añadido en la cadera es un gramo que el tobillo debe corregir.

El ciclo de trabajo llega antes que cualquier número de modelo

La primera cifra de la especificación de una articulación no es un par. Es una descripción de lo que hace la articulación a lo largo de un ciclo: cuánto tiempo sostiene una carga estática, cuánto tiempo se mueve contra la gravedad, con qué frecuencia acelera y qué parte de ese tiempo pasa a baja velocidad bajo carga. Una cadera en reposo sostiene una parte de la masa corporal durante minutos seguidos con un movimiento casi nulo. Una rodilla al caminar absorbe un impacto en unas pocas decenas de milisegundos y después se balancea libremente. Un codo en una tarea de manipulación puede pasar la mayor parte de un turno sosteniendo una herramienta a un ángulo casi constante. Son tres problemas térmicos y electromagnéticos distintos, y se resuelven con puntos distintos del plano par-velocidad.

Las fases de apoyo y de balanceo piden extremos opuestos de la curva

Una articulación de la pierna alterna entre dos cometidos. En la fase de apoyo la articulación está casi inmóvil bajo una carga que puede superar el peso corporal, lo que es un requisito de par con un componente de velocidad casi nulo. En la fase de balanceo la misma articulación tiene que recorrer un ángulo grande con rapidez y casi sin carga, lo que es un requisito de velocidad con un componente de par casi nulo. Un solo motor tiene que satisfacer ambos, y la relación de reducción es lo que decide cómo se reparte el compromiso. Una relación alta sirve a la fase de apoyo y penaliza la de balanceo; una relación baja hace lo contrario. Esta alternancia, y no cualquier cifra aislada, es lo que hace que las articulaciones de la pierna de una máquina bípeda sean más difíciles de especificar que un eje comparable de un brazo industrial fijo, y es lo primero que hay que mirar cuando las articulaciones de robot humanoide de una plataforma nueva se reparten entre clases de actuador.

La inercia reflejada es contra lo que realmente lucha el lazo de control

Entre el motor y la salida de la articulación se encuentra el reductor, y el reductor divide la inercia del rotor por el cuadrado de la relación a la salida. Una relación alta presenta por tanto al controlador una inercia aparente muy pequeña en la articulación, lo que facilita el control de posición y dificulta el control de fuerza, porque la articulación ya no puede notar contra qué está empujando. Una relación baja refleja más inercia del rotor a la salida, lo que hace que la articulación sienta el entorno y se accione hacia atrás de forma predecible, y es la razón de que las articulaciones de accionamiento cuasi directo con etapas de 8:1 o 9:1 se usen donde un robot tiene que entrar en contacto con objetos desconocidos o con una persona. La misma relación que fija el par y la velocidad fija también este comportamiento, así que no es un detalle mecánico que pueda resolverse después por software.

La recuperación del equilibrio es un transitorio que la ventana de régimen debe cubrir

El equilibrio bípedo se mantiene con pares correctores aplicados en una fracción de segundo tras una perturbación, y la magnitud de esas correcciones puede ser varias veces el par necesario para mantenerse de pie. Ese es el transitorio que debe cubrir el par de pico publicado de una articulación, y es la razón de que en el conjunto actual de actuadores de ToBMS las relaciones entre pico y valor nominal lleguen hasta aproximadamente tres veces en algunos modelos. Una articulación especificada solo frente a su carga estática sostendrá una postura de pie y después no podrá recuperarse de un empujón, lo que en una plataforma humanoide es una caída y no un ciclo perdido.

Cómo la relación de reducción convierte velocidad en par

La relación de reducción es la cifra más útil de la especificación de una articulación humanoide, porque traslada cada cantidad del lado del motor al lado de la articulación de forma fija. Una vez conocida la relación, la velocidad de la articulación es la del motor dividida por ella, su par es el par del motor multiplicado por ella, y las cifras publicadas de ambos pueden contrastarse entre sí.

La velocidad de la articulación es la del motor dividida por la relación

Toda velocidad citada para un actuador integrado es una velocidad de salida, que es la cifra que ve la articulación. El AK80-6 KV100 de 485 g con su etapa 6:1 publica 800 rpm en vacío, mientras que el AK80-64 de 850 g con su etapa 64:1 publica 37 rpm en un bus de 24 V: un factor de aproximadamente veintidós en velocidad de salida producido por una diferencia de relación, no por una diferencia de calidad del motor. Para una articulación, las revoluciones por minuto son una unidad incómoda, así que conviene convertir: 1 rpm son 6 grados por segundo, lo que convierte a la unidad de 800 rpm en una articulación de 4800 grados por segundo en vacío y a la unidad 64:1 en una articulación de 222 grados por segundo en el mismo punto. Una cadera que tiene que balancearse a lo largo de 60 grados en 300 ms pide 200 grados por segundo de salida sostenida, y ese único requisito descarta buena parte del extremo de relación alta de cualquier gama de actuadores.

El par se multiplica por la misma relación, menos lo que se lleva el engranaje

La multiplicación es real, pero no gratuita. Una etapa 6:1 convierte 6 Nm en el motor en unos 36 Nm en la articulación, menos el rozamiento y las pérdidas en el engrane, y una etapa 64:1 convierte 0.75 Nm en unos 48 Nm con la misma aritmética. Por eso las unidades más pesadas de una gama no son automáticamente las más fuertes: el AK60-39 V3.0 de 750 g publica 72 Nm de par de pico a través de una etapa 39:1, mientras que el AK80-64 de 850 g publica 120 Nm a través de una etapa 64:1, de modo que una diferencia de 100 g de masa compra una ventaja de par del 67 por ciento porque es la relación la que hace el trabajo. La relación también fija la penalización de rendimiento, porque cada etapa de reducción adicional cuesta un pequeño porcentaje de la potencia que la atraviesa y añade su propia contribución al juego.

El KV por la tensión de bus fija la velocidad del lado del motor

El KV es la constante del lado del motor: es la velocidad que gira el rotor por cada voltio de tensión de bus aplicada, antes del reductor. Multiplicar el KV por la tensión de bus y dividir por la relación da una estimación de la velocidad de salida en vacío, y esa estimación puede contrastarse con la cifra publicada como comprobación aritmética del registro. Para el AK45-10 V3.0 KV75 a 24 V a través de 10:1, 75 multiplicado por 24 y dividido por 10 da 180 rpm frente a las 180 rpm publicadas. Para el AK60-6 V1.1 KV140 a 24 V a través de 6:1, la estimación es 560 rpm frente a las 560 rpm publicadas; para el AK80-6 KV100 a 48 V a través de 6:1 es 800 rpm frente a 800 rpm; y para el AK70-9 V3.0 KV60 y el AK10-9 V3.0 KV60, ambos a 48 V a través de 9:1, es 320 rpm frente a 320 rpm en los dos casos. La correspondencia no es universal —el AKH70-48 V1.0 KV41 a 48 V a través de 48:1 estima 41 rpm frente a las 35 rpm publicadas—, que es exactamente la razón de que la velocidad de salida publicada, y no un valor derivado del KV, sea la cifra con la que hay que diseñar.

Una relación alta compra par y gasta retroaccionabilidad

Dos efectos van en contra de una articulación a medida que sube su relación. El primero es que la inercia reflejada en la salida cae con el cuadrado de la relación, de modo que la articulación se vuelve más fácil de mandar y más difícil de sentir. El segundo es el rozamiento: un reductor de varias etapas se resiste al par aplicado desde el lado de salida, y con relaciones altas esa resistencia puede ser lo bastante grande como para que la articulación ya no se mueva cuando una persona o una superficie la empuja. En este conjunto las unidades de relación baja publican relaciones de 6:1, 9:1 y 10:1, mientras que las unidades que soportan carga funcionan a 39:1, 48:1 y 64:1, y la división entre esos dos grupos sigue a la pregunta de si se espera que la articulación haga un contacto flexible o que sostenga una carga grande en silencio. El juego es la especificación acompañante y se mueve en sentido contrario: las unidades de este conjunto publican cifras entre 0.18 y 0.55°, y una relación más baja con una cifra de juego ajustada es la combinación que da a una articulación su carácter de sentirse rígida bajo la presión de la mano y aun así dejarse empujar.

Ajustar el par: nominal, de pico y la ventana que hay detrás de cada uno

El par es el eje sobre el que se toman primero la mayoría de las decisiones de articulación humanoide y sobre el que la mayoría de ellas se toman primero mal. En el registro de un fabricante aparecen tres cifras distintas, y responden a tres preguntas diferentes.

El par de pico es una ventana, no una capacidad

El par de pico describe lo que el actuador puede producir durante un intervalo breve —normalmente el tiempo que tarda en acelerar un miembro o en detener una perturbación— sin superar el límite de corriente del variador ni desmagnetizar nada. Es la cifra correcta para un evento de recuperación del equilibrio o para el primer instante de un levantamiento, y es la cifra equivocada para todo lo que tenga que repetirse. En este conjunto la relación entre pico y nominal va de 2.0 en el AK80-6 a 3.4 en el AK70-9 V3.0, así que dos actuadores con el mismo par nominal pueden diferir en más de la mitad en el transitorio que entregarán. Leer solo la columna de pico colapsa esa diferencia y produce una preselección que se sobrecalentará en servicio continuo.

El par nominal está limitado por el camino térmico del bobinado

El par nominal es una afirmación térmica. Es el par que el actuador puede sostener indefinidamente manteniendo el bobinado dentro de su clase de aislamiento, y depende por tanto de cómo sale el calor del estátor: por la carcasa, hacia la estructura de montaje y fuera de la propia envolvente de la articulación. Por eso la cifra nominal es más baja en una carcasa pequeña y sellada que en una grande con el mismo motor, y por eso el par nominal de una articulación en el extremo de un brazo es una propuesta distinta de la misma articulación atornillada a un soporte de cadera con una gran masa térmica detrás. Las cifras nominales de este conjunto van de 2.5 Nm en el extremo de 262 g a 74 Nm en el extremo de 1396 g, y la cifra nominal es la que debe compararse con la carga media de la articulación y no con su peor caso. Una comprobación aritmética que a menudo cierra el bucle aquí es el par nominal multiplicado por la velocidad nominal en radianes por segundo frente a la potencia nominal publicada: el AK60-6 V1.1 da 3 Nm a 420 rpm para 132 W frente a los 130 W publicados, el AK70-9 V3.0 da 231 W frente a 231 W, el AK60-39 V3.0 da 176 W frente a 176 W, y el AK10-9 V3.0 da 443 W frente a 442 W. Cuando las dos no cuadran, la diferencia suele ser atribuible a la tensión de bus a la que se citó la velocidad.

El par de mantenimiento en reposo es una cuestión de corriente

Una articulación que se queda quieta bajo carga no está haciendo un trabajo nulo desde el punto de vista del bobinado. El variador tiene que inyectar corriente en las fases para mantener la posición, y la pérdida en el cobre resultante es la misma que si la articulación se moviera despacio. Un robot humanoide de pie tiene por tanto un consumo de potencia estático que escala con el par de mantenimiento de cada articulación cargada de la postura, y la corriente en el punto de funcionamiento nominal es la cifra que importa: en este conjunto la corriente nominal va de 1.9 A en el AK45-10 V3.0 a 24 V a 10.7 A en el AK10-9 V3.0 a 48 V. En una plataforma alimentada por batería ese consumo se paga con autonomía, y es la razón de que merezca la pena diseñar una postura que pueda sostenerse con un tope mecánico.

La densidad de par leída frente a la masa que la articulación debe cargar

La densidad de par es la cifra que conecta el eje del par con el eje del tamaño, y solo tiene sentido cuando declara tanto la masa como qué par se usó. En las ocho unidades de abajo, el par de pico publicado por kilogramo va de unos 24.5 Nm/kg en el AK60-6 V1.1 de 368 g a unos 159 Nm/kg en el AKH70-48 V1.0 de 1396 g, mientras que el par nominal por kilogramo va de unos 8.2 Nm/kg a unos 53 Nm/kg en esas mismas dos unidades. Ambas son aritmética a partir de las cifras registradas. La amplia dispersión no es un accidente de la calidad de fabricación: es lo que hace la relación, porque las unidades de relación más alta producen su par con un motor más pequeño que gira más rápido, y la masa extra del reductor es pequeña comparada con la masa que ahorra el motor más pequeño.

Ajustar la velocidad en la articulación, no en el rotor

Los requisitos de velocidad en un robot humanoide suelen expresarse como un ángulo que hay que cubrir en un tiempo dado, y rara vez se expresan bien a la primera. La conversión de un requisito de articulación a una especificación de actuador pasa por la relación, y la relación se elige por razones de par, así que las dos restricciones tienen que resolverse juntas y no en secuencia.

La fase de balanceo fija el requisito de velocidad de la pierna

Una pierna que camina tiene que llevar el pie hacia delante a lo largo de un recorrido de rodilla de unos 60 a 90 grados en 300 a 400 ms, lo que pide de 150 a 300 grados por segundo de velocidad de articulación sostenida durante el balanceo y algo menos a lo largo de todo el ciclo de marcha. En las ocho unidades de abajo esa banda la cubre la clase de 485 g y 540 g a 6:1 y 9:1, cuyas velocidades nominales publicadas de 603 rpm y 260 rpm corresponden a unos 3618 y 1560 grados por segundo respectivamente: un margen amplio, que es lo que permite al lazo de velocidad de la articulación acelerar y desacelerar dentro del balanceo en lugar de funcionar a un ritmo constante. Las unidades de relación alta no quedan excluidas de las piernas, pero se usan donde la articulación está cerca del suelo y el camino de carga está dominado por el apoyo y no por el balanceo.

El seguimiento y el alcance fijan el del brazo

El requisito de velocidad de un brazo lo fija la trayectoria que tiene que seguir, no un movimiento aislado. Las tareas de manipulación —alcanzar un punto, seguir una superficie, atrapar un objeto lanzado— necesitan un seguimiento continuo de posición y velocidad, y la cifra relevante es la capacidad de aceleración de la articulación en la mitad de su recorrido y no su velocidad en vacío en el extremo. Los brazos además son más tolerantes con la masa que las piernas, porque el hombro carga con el codo y la muñeca, pero toda la cadena no tiene que acelerarse contra la gravedad en cada paso. Esa combinación hace que la mitad de una gama sea un punto sensato para empezar la especificación de un brazo: en este conjunto el AK70-9 V3.0 de 540 g a 9:1 ofrece 260 rpm nominales y 29.2 Nm de par de pico, lo que cubre un codo o el cabeceo de un hombro en un bastidor compacto.

La velocidad en vacío es un techo que el lazo rara vez alcanza

La velocidad en vacío publicada es la velocidad de salida con la tensión de bus, sin carga y sin intervención del controlador. Una articulación real no alcanza ese punto, porque en el momento en que tiene que sostener o acelerar algo, el punto de funcionamiento retrocede a lo largo de la recta par-velocidad, y porque el lazo de velocidad limita la consigna. El uso práctico de la cifra en vacío es como cota superior cuando se comprueba la viabilidad de la velocidad requerida: un requisito de articulación de 200 grados por segundo queda cómodamente por debajo de un techo de 4800 grados por segundo e incómodamente cerca de uno de 222 grados por segundo. Cuando el requisito se sitúa cerca del techo, la articulación pasará su vida a corriente alta, y la consecuencia térmica pertenece al cálculo del ciclo de trabajo y no a una nota al pie.

Ajustar el tamaño: envolvente, taladro y el coste de la masa distal

El tamaño es el eje que fija la cinemática de una plataforma de robot humanoide, y es el eje en el que hay menos compromiso disponible. Un actuador que no cabe en el espacio entre dos eslabones no puede hacerse caber por mucho que se ajuste, y un actuador demasiado pesado en el lugar equivocado de la cadena cambia la dinámica de la máquina y no solo su presupuesto de masa.

La masa distal se cobra de nuevo en cada articulación por encima de ella

Un gramo en el pie lo aceleran el tobillo, la rodilla y la cadera en cada balanceo, así que su coste se paga tres veces por paso. Ese mismo gramo en la cadera se paga una vez. Este es el argumento para colocar en el extremo distal la unidad más pequeña y ligera que pueda hacer el trabajo y reservar masa para las articulaciones que tienen que generar los pares más grandes, y se ve en la disposición de este conjunto: las unidades de 262 g y 368 g cargan pares nominales de 2.5 Nm y 3 Nm para trabajo de muñeca, mano y tobillo, mientras que las unidades de 940 g y 1396 g cargan 18 Nm y 74 Nm nominales para caderas y rodillas. Invertir esa disposición —poner un actuador grande en una articulación distal por margen— hace que las articulaciones proximales trabajen más durante el resto de la vida de la máquina.

Taladros para cables y vida del mazo dentro de un miembro

Una articulación humanoide gira, y todo lo que tiene que cruzar ese giro —alimentación, cableado de sensores, a veces fluido o aire— pasa por un anillo colector, por un bucle de servicio que tiene que sobrevivir a millones de ciclos de flexión, o por el propio actuador. El AKH70-48 V1.0 KV41 de 1396 g es un actuador planetario de eje hueco, lo que significa que el camino del cable pasa por el centro de la articulación y no a su alrededor, eliminando por completo el bucle de servicio de la envolvente de la articulación. Donde no hay taladro disponible, el bucle tiene que diseñarse para un radio de curvatura y una vida de ciclos que merece la pena contrastar con el servicio previsto de la máquina. La columna de envolvente de la tabla de abajo no es por tanto solo un diámetro que deba caber; los 90 mm de diámetro y 81.5 mm de longitud de la unidad de eje hueco solo tienen sentido junto con el taladro que la atraviesa.

Clases de diámetro, longitud del paquete y el patrón que puede adoptar un bastidor

Los actuadores integrados se agrupan en clases de diámetro porque el reductor y el motor comparten el mismo eje. En este conjunto los diámetros son 53 mm, 79 mm, 89 mm, 90 mm y 98 mm, y las longitudes van de 38.5 mm a 81.5 mm. El diámetro suele ser la restricción más difícil, porque la sección de un eslabón la fija la estructura que tiene que soportar la carga, mientras que la longitud a menudo puede absorberse en la propia longitud del eslabón. Una articulación que tiene que alojarse dentro de un muslo necesita un conjunto delgado y ancho; una articulación que va en el exterior de un soporte de cadera puede admitir uno más largo. La interfaz de montaje importa tanto como el tamaño: un actuador que se atornilla a una placa por un extremo y acciona un eslabón por el otro impone un camino de carga a través de su propia carcasa, y la rigidez de la carcasa pasa entonces a formar parte de la rigidez de la articulación, lo que a su vez fija cómo se comporta la máquina bajo los impactos de la marcha.

Ocho actuadores CubeMars para articulaciones de robot humanoide, como un único conjunto de especificaciones

La tabla de abajo lee ocho actuadores robóticos CubeMars como un único conjunto de especificaciones, ordenados por masa publicada, porque la masa es el eje a lo largo del cual se diseña una plataforma humanoide y porque la dispersión de relaciones entre esos ocho cubre todo el compromiso par-velocidad, desde un módulo distal de 262 g hasta una articulación de eje hueco de 1396 g. Cada cifra es el valor publicado por el fabricante; cada cifra derivada del texto está etiquetada como aritmética.

Par nominal y de pico, tensión de alimentación, relación de reducción, masa y envolvente según lo publicado por el fabricante. El par nominal es la cifra continua dentro de los límites térmicos del actuador; el par de pico es una cifra de ventana corta. El AKH70-48 V1.0 es una unidad de eje hueco, por lo que su envolvente se cita con un taladro de cable a través del eje.

Leídas como un solo conjunto, las ocho unidades describen una escalera de par de 7 Nm a 222 Nm de par de pico publicado a lo largo de un rango de masa de 262 g a 1396 g, y la escalera no tiene la misma forma que el orden por masa. Por encima del punto de 540 g el orden por masa deja de seguir al orden por par: los 72 Nm del AK60-39 V3.0 de 750 g dejan paso a los 120 Nm del AK80-64 de 850 g, y la más pesada AK10-9 V3.0 de 940 g se queda en 53 Nm, por debajo de los 850 g, porque la unidad de 850 g cambia velocidad por par con su etapa 64:1 frente al 9:1 de la de 940 g. Quien lea la tabla solo por masa elegirá la unidad equivocada; la columna de relación tiene que leerse junto con las columnas de par.

La densidad de par plantea lo mismo en una sola cifra. El par de pico publicado por kilogramo, que es aritmética a partir de las dos columnas registradas, va de unos 24.5 Nm/kg en la unidad de 368 g y unos 24.7 Nm/kg en la de 485 g a unos 141 Nm/kg en la de 850 g y unos 159 Nm/kg en la de 1396 g. El intervalo de unas seis veces es la relación haciendo el trabajo: las unidades de relación alta generan su par con un motor pequeño y rápido y lo pagan en velocidad de salida, mientras que las de relación baja lo generan directamente y conservan su velocidad. El par nominal por kilogramo cuenta la misma historia en un rango más estrecho, de unos 8.2 Nm/kg en el extremo de 368 g a unos 53 Nm/kg en el extremo de eje hueco, y es la más útil de las dos cifras cuando la articulación va a sostener una carga durante minutos seguidos y no durante milisegundos.

La velocidad cae a medida que sube la relación, y cae de una forma que merece la pena expresar en grados y no en revoluciones. Convirtiendo las velocidades de salida publicadas en vacío y nominales a 6 grados por segundo por rpm, las ocho unidades abarcan desde unos 4800 grados por segundo de velocidad de salida en vacío en el extremo de 6:1 hasta 222 grados por segundo en el extremo de 64:1, con velocidades nominales que van de unos 3618 grados por segundo hasta unos 138 grados por segundo en esas mismas unidades. Una cadera que tiene que balancearse 60 grados en 300 ms pide 200 grados por segundo, lo que está dentro de la mitad de relación baja de la tabla y cerca del techo de la mitad de relación alta. Esa comparación, hecha antes de elegir el modelo, es lo que mantiene a un diseño lejos de la posición de tener que explicar una pierna lenta.

Leer los ocho desde el tobillo hasta la cadera

Las articulaciones de una plataforma humanoide forman una cadena desde los ejes distales de muñecas y tobillos hasta la cadera y la rodilla, y el requisito se mueve de forma monótona a lo largo de ella: el par sube, la velocidad baja, y la masa que puede permitirse sube con la distancia de la articulación al suelo. Las ocho unidades de abajo se mapean sobre esa cadena en cuatro grupos.

El extremo de 262 g y 368 g: ejes de muñeca, mano y tobillo

Las unidades más pequeñas de este conjunto cargan los cometidos de par bajo y velocidad moderada. El AK45-10 V3.0 KV75 pesa 262 g en una carcasa de 53 mm de diámetro y 45.2 mm de longitud, mueve una etapa 10:1 para 2.5 Nm nominales y 7 Nm de par de pico en un bus de 24 V, y publica 120 rpm nominales y 180 rpm de velocidad de salida en vacío con 0.3° de juego. Su potencia nominal publicada es 39 W y su corriente nominal 1.9 A, lo que mantiene sencillo el cableado hacia un eslabón distal pequeño. El AK60-6 V1.1 KV140 pasa a 79 mm de diámetro y 368 g para 3 Nm nominales y 9 Nm de pico a través de una etapa 6:1, y su motor KV140 a 24 V produce 420 rpm nominales y 560 rpm en vacío, que es la salida más rápida de este grupo con unos 3360 grados por segundo en vacío. Esa combinación —relación baja, par moderado, velocidad de salida alta— es la que conviene a un tobillo que tiene que recolocarse con rapidez bajo un pie, o a una muñeca que tiene que hacer correcciones pequeñas y rápidas. La cifra de juego de 0.55° es la más holgada publicada en este grupo, que es la consecuencia esperada de una relación baja con un motor rápido.

La zona media de 485 g y 540 g: seguimiento del codo y rodillas rápidas

La zona media del conjunto es donde se sitúan el brazo y las articulaciones de pierna más rápidas. El AK80-6 KV100 es una unidad de 485 g, 98 mm de diámetro y 38.5 mm de longitud que produce 6 Nm nominales y 12 Nm de par de pico con una relación 6:1 en un bus de 48 V, con 603 rpm nominales y 800 rpm de salida en vacío y una potencia nominal publicada de 340 W. Su relación entre pico y nominal de 2.0 es la más estrecha del conjunto, lo que lo convierte en la unidad a elegir cuando el servicio es más continuo que transitorio. El AK70-9 V3.0 KV60 es la misma idea un escalón por encima en relación: 540 g en una carcasa de 89 mm de diámetro y 49 mm de longitud, una etapa 9:1, 8.5 Nm nominales y 29.2 Nm de par de pico a 48 V, 260 rpm nominales y 320 rpm en vacío, 231 W de potencia nominal y 0.3° de juego. Su múltiplo entre pico y nominal de 3.4 es el más amplio del conjunto, así que es la unidad más apropiada cuando el transitorio es el caso de diseño y la carga continua es modesta. Ambas unidades tienen despliegues documentados: el fabricante publicó un caso práctico del AK80-6 en una plataforma de investigación, incrustado abajo.

La clase de 750 g y 940 g: caderas, rodillas y carga sobre un solo apoyo

Esta es la clase que carga con la máquina. El AK60-39 V3.0 KV80 es una unidad de 750 g en una carcasa de 79 mm de diámetro y 67 mm de longitud que convierte su etapa 39:1 en 24 Nm nominales y 72 Nm de par de pico a 48 V, con 70 rpm nominales y 98 rpm de salida en vacío, 176 W de potencia nominal y 0.25° de juego. El AK10-9 V3.0 KV60 pesa 940 g en una carcasa de 98 mm de diámetro y 61.7 mm de longitud y combina una etapa 9:1 con una disposición de doble codificador para 18 Nm nominales y 53 Nm de par de pico a 48 V, con 235 rpm nominales y 320 rpm de salida en vacío y una potencia nominal publicada de 442 W con 10.7 A de corriente nominal. Las dos unidades sostienen el mismo argumento desde direcciones opuestas: la unidad 39:1 compra su par con relación y renuncia a velocidad de salida, mientras que la 9:1 conserva su velocidad y necesita un motor más grande para producir el par. Una cadera que tiene que sostener carga sobre un solo apoyo y luego extenderse con rapidez favorece la segunda disposición; una rodilla que está cerca del suelo y rara vez tiene que moverse rápido favorece la primera. El juego se publica para la unidad 39:1 en 0.25°; el registro de la unidad 9:1 de este conjunto no lleva cifra de juego, y ese hueco pertenece al conjunto de preguntas para el fabricante y no a una suposición.

El extremo pesado con 48:1 y 64:1: donde la velocidad se gasta a propósito

La parte alta de la tabla es para las articulaciones en las que la velocidad de salida es un término que el diseñador está dispuesto a sacrificar. El AK80-64 KV80 pesa 850 g en una carcasa de 98 mm de diámetro y 61.9 mm de longitud y produce 48 Nm nominales y 120 Nm de par de pico a través de una etapa 64:1, aceptando 24 V o 48 V; su velocidad de salida publicada es 23 rpm nominales y 37 rpm en vacío a 24 V, o 48 rpm nominales y 75 rpm en vacío a 48 V, con 0.18° de juego, el más ajustado de este conjunto. El AKH70-48 V1.0 KV41 es la unidad más pesada con 1396 g en una carcasa de 90 mm de diámetro y 81.5 mm de longitud, y produce 74 Nm nominales y 222 Nm de par de pico a través de una etapa 48:1 en un bus de 48 V, con 28 rpm nominales y 35 rpm de salida en vacío y 0.2° de juego. Su eje hueco es el rasgo que lo separa del resto: el camino del cable pasa por el eje, que es lo que permite construir una cadera o una rodilla pesada sin un bucle de servicio alrededor de la articulación. Ambas unidades se quedan en los cientos bajos de grados por segundo a la salida, lo que conviene a una rodilla que soporta carga o a una cadera que va arriostrada, y las descarta para cualquier articulación que tenga que completar un balanceo en unos pocos cientos de milisegundos. El fabricante publicó un ensayo de carga de la unidad de eje hueco, incrustado abajo; el registro de especificación completo está en la página de producto del fabricante.

Plataformas de robot humanoide a las que sirven estos motores de articulación

Cada unidad de esta tabla está asociada en ToBMS a la misma aplicación, lo que refleja lo estrecho del servicio: la aplicación Robot humanoide cubre máquinas cuyas articulaciones son la restricción principal de diseño y no un accesorio de una estructura fija.

Investigación bípeda y plataformas de cuerpo completo

Las plataformas de investigación se construyen para instrumentarlas y reconstruirlas, así que la especificación de la articulación se escribe en torno a la controlabilidad y la repetibilidad y no a la vida útil. Aquí dominan las relaciones bajas y medias, porque una articulación que puede accionarse hacia atrás es una articulación que puede estudiarse a mano y cuyo par puede estimarse a partir de la corriente del motor sin un sensor adicional. Las relaciones entre pico y nominal publicadas en la mitad de esta tabla encajan exactamente con ese patrón de uso: un prototipo pasa la mayor parte de su vida a una fracción del par nominal y de vez en cuando a un múltiplo de él.

Máquinas con patas y máquinas con patas y ruedas

Las máquinas que caminan, y las que ruedan sobre ruedas montadas en patas articuladas, someten a la articulación al mayor rango de condiciones de carga de esta aplicación: velocidad casi nula con par alto durante el apoyo, velocidad alta con par bajo durante el balanceo y cargas de impacto en ambos extremos. La pregunta relevante es si el registro publicado cubre el caso de impacto, algo que en este conjunto ocurre con la cifra de par de pico y no con la carga de choque que llega a través de la estructura. Ese hueco se cierra con el fabricante y no con una hoja de datos.

Equipos de asistencia y rehabilitación

Cuando una máquina mueve un miembro que pertenece a una persona, la articulación tiene que sostener una carga y seguir un movimiento al mismo tiempo, y los casos prácticos publicados de dos unidades de esta tabla proceden exactamente de ese entorno. Las unidades de relación alta se encargan del sostenimiento, y las de relación baja o de juego bajo se encargan del seguimiento, que es la razón de que los dispositivos de asistencia mezclen a menudo dos clases de relación en el mismo miembro en lugar de especificar una sola unidad para toda la cadena.

Plataformas de manipulación, teleoperación y destreza

Los brazos de una plataforma humanoide heredan las restricciones del cuerpo al que van unidos: masa moderada en la muñeca, necesidad de trabajar en espacios no estructurados y un lazo de control que tiene que tolerar el contacto. La mitad de esta tabla —las unidades de 485 g y 540 g a 6:1 y 9:1 en un bus de 48 V— es el grupo que satisface esas restricciones sin la masa del extremo que soporta carga, y es el grupo en el que un solo modelo puede servir a más de una articulación del brazo.

Una secuencia de selección para una articulación de robot humanoide

El orden de estos tres pasos importa más que el detalle de cualquiera de ellos, porque cada paso estrecha el conjunto que el siguiente tiene que considerar.

Fijar primero el servicio de la articulación y su carga en el peor caso

Establecer el par de mantenimiento en la postura en la que la máquina pasa la mayor parte del tiempo, el par requerido durante el transitorio que exigen la recuperación del equilibrio o el levantamiento, y la fracción de tiempo que se pasa en cada uno. La primera cifra dimensiona el caso térmico y por tanto el par nominal; la segunda dimensiona la afirmación de pico; y la relación entre ambas decide si la articulación pertenece al extremo bajo de la tabla o al alto. Nada del modelo puede decidirse antes de esto, porque el mismo requisito de par lo satisface un motor pequeño con una relación alta y un motor grande con una relación baja, y esas dos respuestas se comportan de forma distinta en la articulación.

Fijar después el bus, el taladro y la envolvente de montaje

La tensión de bus sigue la arquitectura de potencia de la máquina y no la del actuador, así que debe tratarse como una restricción fija: las unidades de este conjunto funcionan a 24 V, a 48 V o a ambos, y una unidad solo de 48 V no puede usarse en una plataforma de 24 V por bien que encaje su par. La envolvente sigue al eslabón: primero el diámetro, después la longitud y —cuando la articulación es una cadera o una rodilla con un cable que la cruza— el taladro a través del eje al mismo tiempo. Una preselección que sobrevive a estos dos filtros suele ser lo bastante pequeña para compararse bien.

Interrogar las cifras que el registro deja abiertas

El registro publicado de esta clase de actuador es bueno en par, velocidad, relación y masa, y es más fino en las cifras que deciden cómo se comporta una articulación y no cómo rinde. La lista de preguntas que llevar al fabricante es corta.

• El juego medido a la salida para la unidad y la versión concretas, y si la cifra es un máximo o un valor típico.
• La ventana de servicio asociada a la cifra de par de pico: cuánto tiempo, con qué frecuencia y con qué refrigeración.
• El rendimiento a través de toda la etapa de reducción, y dónde cae a baja velocidad de salida con par alto.
• La corriente continua y el aumento de temperatura de la carcasa que la acompaña en la disposición de montaje propia de la máquina.
• Cualquier régimen de choque o impacto, que es la cifra que esta aplicación necesita y la que falta con más frecuencia.

Cuando una cifra falta en el registro, pertenece al margen de diseño y no a una suposición, y la evaluación debe quedar por escrito antes de pedir la articulación.

Preguntas frecuentes

Recursos oficiales

CubeMars publica documentación de producto para las gamas de actuadores reunidas en la sección Recursos de la plataforma, y cada modelo tiene una página de producto oficial con su especificación completa, su curva de rendimiento y su plano de montaje; la gama de producto del fabricante es el punto de entrada. El fabricante sigue siendo la fuente de verdad para las curvas de par, los regímenes térmicos, la base del juego y la configuración del variador; ToBMS mantiene la capa de descubrimiento consultable y comparable, y las cifras usadas en esta guía son los valores publicados que figuran en los registros de producto de la plataforma.

Para continuar

El equivalente a nivel de categoría de esta guía es Actuadores robóticos: elección del actuador integrado para articulaciones, que lee cinco de estas unidades integradas unas frente a otras como componentes, y Cómo elegir un módulo de articulación: cinco actuadores CubeMars de 190 g a 1.4 kg, que toma el módulo articular como unidad de diseño. Esta guía parte en cambio del robot: llega a la misma clase de actuador por el camino de la cadena de articulaciones, el ciclo de trabajo y el presupuesto de masa, que es la ruta que hay que tomar cuando la pregunta es qué necesita un robot humanoide y no qué modelo es más grande.

Merece la pena seguir dos rutas adyacentes allí donde cambia la clase de articulación. Donde una articulación tenga que guiarse a mano o donde haya que decidir la costura entre un conjunto sin carcasa y un módulo sellado, Motores BLDC para exoesqueleto: motor de par sin carcasa frente a actuador integrado plantea la comparación directamente, y la categoría Motores par sin carcasa cubre los conjuntos de estátor y rotor con los que suelen construirse los ejes de una mano diestra. Donde se elige una relación baja por flexibilidad y no por velocidad, Actuadores QDD: qué aporta una relación 8:1 cubre la gama de Actuadores QDD sobre esa base.

Para un contexto más amplio de cómo se relacionan las clases de motor, Motores BLDC: guía completa de tipos, especificaciones y selección sitúa el actuador integrado entre las demás categorías. Para preseleccionar en lugar de investigar, filtrar los candidatos por par, relación, tensión, masa y envolvente en Selección y confrontarlos después entre sí en Comparar productos; las clases de articulación relacionadas se agrupan en las aplicaciones Módulo articular, Exoesqueleto, Robot cuadrúpedo y Robot de rehabilitación. La categoría Actuadores robóticos contiene las ocho unidades comparadas aquí.