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#Novedades de la industria
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Las tendencias de la robótica aumentan la necesidad de motores en miniatura
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Tendencias en robótica
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Antecedentes
Los avances en la automatización y la inteligencia artificial están impulsando la innovación en la robótica, que se expande a nuevos sectores con la aparición de diseños robóticos más pequeños e inteligentes. Los nuevos desarrollos en sistemas de visión y tecnologías de sensores requieren aplicaciones inventivas para los robots en los campos de la medicina, el almacenamiento, la seguridad y la automatización de procesos. Las tecnologías disruptivas crean nuevas oportunidades para que los motores en miniatura resuelvan los retos exclusivos del mercado de la robótica; entre ellos, el control predecible de las herramientas quirúrgicas, la navegación segura y eficiente por los almacenes o la resistencia necesaria para completar largas misiones de seguridad.
Tendencias emergentes en robótica
Tendencia 1: Movilidad y huella
La transición a las aplicaciones robóticas colaborativas exige que los sistemas sean móviles, diestros y compactos. Las tareas que suelen realizar las manos humanas impulsan la necesidad de soluciones de motor miniaturizadas que puedan imitar tanto el tamaño como las capacidades de las manos utilizadas para realizar el trabajo. ¿Qué significa esto para los productos de control de movimiento?
Los actuadores robóticos requieren motores de pequeña potencia para reducir el tamaño y el peso totales, especialmente en soluciones de articulación múltiple (muñeca, brazo, codo, torso). Las soluciones compactas mejoran la usabilidad, la autonomía y la seguridad (tiempo de reacción más rápido gracias a una menor inercia). Los robots humanoides, las prótesis de brazo, los exoesqueletos y las pinzas robóticas suelen requerir una unidad pequeña y de alta densidad de potencia. La densidad de potencia es la cantidad de potencia (tasa de tiempo de transferencia de energía) generada por unidad de volumen del motor. Un motor que genera más potencia en un paquete más pequeño aumenta la densidad de potencia, lo que es importante cuando el espacio es limitado o cuando se necesita la máxima potencia en un espacio fijo. Una alta densidad de potencia permite la miniaturización de los mecanismos o una mayor capacidad en los diseños actuales, lo que es fundamental para reducir el espacio consumido por los elementos de movimiento. La eficiencia es la clave para obtener la mayor potencia posible de un diseño determinado, y los motores de CC sin escobillas desempeñan un papel importante en la reducción del tamaño con respecto a los motores de CC convencionales. Los diseños de motores sin ranuras, combinados con eficientes reductores planetarios, ofrecen una unidad muy potente en un paquete pequeño. Tanto si se necesita una configuración corta, plana y de bajo perfil, como un diseño largo y delgado, las soluciones sin escobillas pueden diseñarse para satisfacer los requisitos específicos del cliente.
La destreza y la agilidad requieren una respuesta dinámica y un funcionamiento suave. Los motores BLDC sin ranuras eliminan el par de retención y proporcionan un movimiento dinámico preciso con motores de menor inercia. En las aplicaciones altamente dinámicas que requieren una aceleración/desaceleración constante (como los robots delta y los sistemas pick and place), las características de alta aceleración son fundamentales. Los motores DC sin núcleo y los motores paso a paso de imán de disco, al tener una inercia muy baja, son la solución adecuada para este tipo de aplicaciones.
Los motores de CC sin escobillas y de alta eficiencia son la mejor opción para las aplicaciones móviles alimentadas por batería, para prolongar la vida útil entre cargas. Muchas aplicaciones robóticas funcionan con la energía de la batería, por lo que requieren motores muy eficientes (hasta el 90%) para proporcionar un mayor tiempo de funcionamiento. Algunas aplicaciones requieren un par elevado a bajas velocidades, lo que se consigue combinando el motor con una caja de cambios muy eficiente (hasta el 90%). Los diseños de cajas de engranajes ineficientes afectan negativamente a la eficiencia global del sistema, reduciendo el tiempo de funcionamiento de la batería y aumentando los costes.
Tendencia 2: Robustez y prolongación de la vida útil
Los sistemas robóticos que se utilizan en aplicaciones inhóspitas para el ser humano pueden tener que soportar condiciones ambientales difíciles, como golpes y vibraciones tremendas. La construcción del motor desempeña un papel importante en la fiabilidad y la durabilidad. Los motores con carcasas y bridas metálicas son adecuados para aplicaciones en entornos difíciles, como la vigilancia, la inspección de tuberías y alcantarillas industriales, el patrullaje de la red eléctrica y los vehículos guiados autónomos en almacenes. Cuando se someten a estas temperaturas y presiones extremas y a otras condiciones peligrosas, un motor bien diseñado proporcionará una vida útil adicional con respecto a los motores estándar. Los robots de las aplicaciones quirúrgicas deben soportar repetidos ciclos de alta temperatura y presión durante el proceso de esterilización. Para responder a estas exigencias, el diseño del motor incluye el encapsulamiento de los componentes electromecánicos y electrónicos. Las mejoras en el diseño pueden prolongar la vida del motor varias veces, lo que permite al robot quirúrgico completar muchas más cirugías antes de que sea necesario el mantenimiento del control de movimiento.
Tendencia 3: Seguridad y análisis
Los robots colaborativos, que trabajan codo con codo con los humanos, deben funcionar de forma segura y predecible cuando se enfrentan a un obstáculo. Los dispositivos de retroalimentación, como los codificadores, los termistores y los sensores de corriente, contribuyen a proteger al operario, al paciente y al robot. Los codificadores de alta resolución proporcionan la precisión necesaria para alcanzar posiciones críticas de forma repetible, mejorando el rendimiento a lo largo de un turno de trabajo.. Los termistores y otros dispositivos de temperatura alertan a los operarios cuando se van a superar los límites de temperatura, lo que permite detener temporalmente las operaciones para determinar el origen del problema y completar las correcciones. En la línea de producción, un fallo del robot puede suponer una pérdida de productividad, por lo que el análisis que se realiza permite ahorrar tiempo y dinero. Los sensores de corriente de precisión pueden detectar interacciones involuntarias con el personal, deteniendo el robot rápidamente antes de que se produzca cualquier daño o perjuicio.
Muchos sistemas robóticos también recogen diversos datos relacionados con el trabajo realizado, así como el autodiagnóstico para facilitar el mantenimiento predictivo. Los sensores térmicos o de fuerza integrados en los motores proporcionan datos en tiempo real para mejorar la productividad al identificar rápidamente las desviaciones en los niveles de fuerza previstos. Una fuerza superior a la esperada para completar la instalación de un tornillo puede alertar al sistema de un problema pendiente, permitiendo una rápida actualización del sistema para continuar la producción. El aumento del consumo de corriente a lo largo del tiempo puede instituir ciclos de mantenimiento preventivo predictivo. Un robot quirúrgico podría proporcionar los detalles para la sustitución de un motor para evitar una parada inesperada durante una operación.
Tendencia 4: Autonomía y control multieje
El futuro de la robótica pasa por seguir incorporando la autonomía y el aprendizaje automático. Las aplicaciones de almacenamiento se basan en tiempos más rápidos de pedido a envío con vehículos autónomos que dependen de la auto-navegación y la información precisa para operar con seguridad. El sistema LiDAR (light imaging, detection, and ranging) se utiliza para capturar imágenes en 3D del entorno mientras escanea a una frecuencia de actualización muy alta y depende de la retroalimentación de alta resolución con una latencia mínima. Los sistemas de detección óptica de paso fino, junto con los procesadores de interpolación de alta capacidad, proporcionan información de posición incremental (de 16 a 20 bits) en tiempo casi real con un error mecánico en el rango de 0,25 grados mecánicos. El uso de nuevas tecnologías de sensores, junto con los últimos diseños de motores optimizados, permite innovar en cuanto a dónde y cómo pueden operar los vehículos autónomos.
Cuando las tareas que tradicionalmente requerían la intervención humana se sustituyen por la automatización, la solución robótica requiere la coordinación de numerosos ejes de movimiento y, en algunos casos, ser guiada por un sistema de visión. Las aplicaciones multieje, como los robots quirúrgicos, están aprovechando los protocolos de comunicación de interfaz en serie (como BiSS o SSI) que permiten la conexión en cadena de codificadores para minimizar la complejidad del cableado. Los mecanismos voluminosos se simplifican incorporando la tecnología de motores en miniatura junto con los avances en la tecnología de sensores que contienen capacidades de interfaz en serie. Los encoders con comunicación de interfaz serie proporcionan información de posición absoluta basada en la tecnología de detección magnética, con una resolución típica de 14 bits y una precisión en el rango de 1 grado mecánico.
Tipos de motores en miniatura
El mercado de la robótica es un gran consumidor de actuadores eléctricos para ejecutar movimientos. Se utilizan diferentes tipos de motores, cajas de engranajes y codificadores, que se seleccionan en función de los requisitos de la aplicación, entre los que se encuentran los motores de corriente continua con escobillas sin hierro, los motores de corriente continua sin escobillas con y sin ranuras, y los motores paso a paso, que incluyen los motores Can Stack, híbridos y de imanes de disco. Cada tecnología de motor tiene ventajas exclusivas para sus respectivas aplicaciones robóticas. (Ver detalles en la Figura 1)
Aplicaciones robóticas adecuadas para los motores en miniatura
Los dispositivos quirúrgicos modernos -tanto las herramientas manuales tradicionales como los dispositivos asistidos por robots- tienen requisitos de movimiento extremadamente exigentes y exactos. Estos requisitos pueden satisfacerse trabajando con un proveedor de motores que disponga de la amplitud tecnológica necesaria y de una amplia experiencia tanto en herramientas manuales quirúrgicas tradicionales como en dispositivos quirúrgicos asistidos por robot.
Robots de servicio
Las aplicaciones robóticas están asumiendo nuevas funciones en la inspección no tripulada, la seguridad y el patrullaje en entornos operativos que no son seguros para los humanos o que son muy repetitivos. Estos sistemas van mucho más allá de las cámaras fijas y los sistemas de alarma del pasado. Los usos típicos son la vigilancia e inspección de tuberías y alcantarillas industriales, el patrullaje de la red eléctrica y los vehículos guiados autónomos en los almacenes.
Los motores de corriente continua sin escobillas y los motores de corriente continua sin escobillas, junto con sus cajas de engranajes y codificadores complementarios, son la solución de movimiento ideal para proporcionar un alto par y un mayor tiempo de funcionamiento de la batería en un paquete ligero.
LiDAR
La tecnología LiDAR permite que las máquinas accedan a las condiciones actuales del entorno en 3D, desarrollen una respuesta y luego naveguen por la situación. Las máquinas que utilizan LiDAR van desde pequeños robots de servicio hasta grandes vehículos autónomos, y el sistema LiDAR ideal debe ser compacto, ligero, preciso y rentable. Los clientes prefieren configuraciones de motor planas para que sean compactas y tengan un peso mínimo, y codificadores de resolución media o alta para obtener información de precisión.
Pinzas eléctricas
Durante la última década, la conversión de la tecnología neumática a la eléctrica en el agarre industrial ha ganado popularidad, ya que las pinzas eléctricas permiten un mejor control de la posición de los dedos de la pinza, la detección del agarre y el control de la fuerza y la velocidad de agarre.
Los motores de corriente continua sin escobillas, junto con sus cajas de engranajes y codificadores complementarios, ofrecen la alta densidad de potencia, la baja inercia, la alta precisión y el bajo peso necesarios para satisfacer los requisitos de la aplicación.
Robótica quirúrgica
Las aplicaciones de robots quirúrgicos tienen requisitos únicos en cuanto a tamaño compacto, bajo peso, alta densidad de potencia y esterilización. Aunque no todos los motores de un sistema robótico quirúrgico requieren una solución esterilizable, otros requisitos pueden centrarse en la robustez y durabilidad del motor, como en las aplicaciones de autoclave. En estas aplicaciones, la electrónica (estator y electrónica de conmutación) está totalmente encapsulada en un epoxi termoestable, lo que garantiza que las altas temperaturas y presiones que se dan en el entorno del autoclave de vapor no afecten negativamente a la electrónica.
Dentro del creciente campo de los robots quirúrgicos, el alto grado de variabilidad hace inviable la creación de una solución única para todas las aplicaciones del cliente. Incluso dentro del sistema del cliente, puede haber claras diferencias en los tipos de motores que articulan los distintos ejes o accionan los efectores finales. Estas especificaciones únicas requieren soluciones altamente personalizables (tanto eléctrica como mecánicamente) para satisfacer las necesidades del sistema robótico del cliente. La personalización del diseño para una aplicación del cliente garantiza el cumplimiento de los objetivos de rendimiento dentro de un tamaño de paquete definido. Al comprender los puntos de carga restrictivos, se puede desarrollar una solución que cumpla el equilibrio óptimo de par y velocidad en el diseño más compacto y ligero posible.
Conclusión
Portescap es una empresa única que desarrolla diferentes tecnologías de motores, reductores y codificadores para ofrecer la mejor solución a los clientes con necesidades de potencia inferiores a unos cientos de vatios mecánicos.
La oferta multitecnológica de Portescap y su experiencia en materia de colaboración suponen grandes ventajas para los clientes, ya que proporcionan varias opciones tecnológicas para una aplicación, cada una de las cuales ofrece ventajas específicas para satisfacer requisitos críticos. Los especialistas de Portescap, con décadas de experiencia en la resolución de las aplicaciones de movimiento más exigentes, crean soluciones robóticas únicas y rentables que no son posibles con un motor estándar.