¿Qué es un motor de par sin marco? Ventajas clave en el diseño de articulaciones robóticas

 Con el rápido desarrollo de los robots humanoides, los robots cuadrúpedos y la industria de la automatización inteligente, la tecnología de articulaciones robóticas se está convirtiendo en un foco principal de la industria. En los sistemas robóticos, el rendimiento del accionamiento de las articulaciones a menudo determina la capacidad de movimiento, la estabilidad y la precisión de control del robot.

Aunque los servomotores tradicionales se utilizan ampliamente, las demandas continuamente crecientes de estructuras ligeras, tamaño compacto y alto rendimiento dinámico en robótica han hecho que las soluciones convencionales sean cada vez más insuficientes para aplicaciones robóticas de alta gama.

En este contexto, el “motor de par sin bastidor” ha comenzado a atraer cada vez más la atención de fabricantes de robots y equipos de I+D.

¿Qué es un motor de par sin bastidor?

Un motor de par sin bastidor es un tipo de motor diseñado específicamente para robots de alto rendimiento y equipos de automatización. A diferencia de los servomotores tradicionales, elimina estructuras como la carcasa, los rodamientos y el eje de salida estándar, conservando normalmente solo los dos componentes más esenciales:

• Estator

• Rotor

Por lo tanto, se denomina motor “sin bastidor”.

Este diseño permite que el motor se integre directamente dentro de la articulación del robot, permitiendo a los desarrolladores diseñar libremente la estructura mecánica, el sistema de reducción y el módulo completo de articulación según los requisitos de la aplicación real.

En pocas palabras, un motor de par sin bastidor es más como la “unidad central de potencia” de una articulación robótica en lugar de un motor completo en el sentido tradicional.

En comparación con los servomotores tradicionales, los motores de par sin bastidor se están convirtiendo en la solución de potencia central para un número creciente de proyectos robóticos debido a su alta integración, alta densidad de par y diseño estructural flexible.

Comparación entre motores de par sin bastidor y servomotores tradicionales

¿Por qué los robots utilizan cada vez más motores de par sin bastidor?

Con el rápido desarrollo de los robots humanoides, los robots cuadrúpedos y los brazos robóticos inteligentes, la industria robótica está imponiendo requisitos cada vez más altos a los sistemas de accionamiento de las articulaciones.

Los robots modernos no solo necesitan “moverse”, sino que también requieren:

• Movimiento más natural

• Respuesta más rápida

• Estructuras más ligeras

• Control más preciso

• Funcionamiento más estable

Sin embargo, debido a su mayor tamaño y estructura fija, los servomotores tradicionales han mostrado gradualmente limitaciones en aplicaciones robóticas de alto rendimiento.

Ventajas principales de los motores de par sin bastidor

En el contexto de los rápidos avances en robótica y automatización inteligente, los sistemas de accionamiento están evolucionando desde soluciones tradicionales hacia arquitecturas altamente integradas y de alto rendimiento. Entre ellos, el motor de par sin bastidor, como una solución de accionamiento electromagnético altamente personalizable, está siendo adoptado por un número creciente de sistemas robóticos de gama alta.

A diferencia de los motores tradicionales, los motores de par sin bastidor se integran directamente en las articulaciones del robot y se combinan con reductores, codificadores y sistemas de control para formar una estructura integrada. Este diseño permite que las articulaciones sean más compactas mientras mejora la eficiencia de movimiento y el rendimiento de control.

Diseño de articulación ligero

Los motores de par sin bastidor eliminan la carcasa, los rodamientos y el eje de salida presentes en los motores tradicionales, conservando solo los componentes centrales del accionamiento electromagnético. Esto permite la integración directa en las articulaciones del robot y logra una verdadera integración estructural.

Valor de aplicación: hace que las articulaciones sean más ligeras y flexibles, mejorando la velocidad de respuesta del movimiento y reduciendo el consumo total de energía. Esto es especialmente adecuado para robots humanoides y robots cuadrúpedos con altos requisitos de rendimiento dinámico.

Capacidad de salida de alta densidad de par

Mediante la optimización del diseño electromagnético y las estructuras del circuito magnético, los motores de par sin bastidor pueden lograr mayor salida de par dentro de un espacio limitado, mejorando así el rendimiento de potencia sin aumentar el tamaño total.

Valor de aplicación: ampliamente adecuado para sistemas robóticos de alta dinámica, como salto y carrera de robots cuadrúpedos, control de marcha de robots humanoides, operaciones de brazos robóticos de alta carga y sistemas de exoesqueleto.

Capacidad de control de movimiento de alta precisión

Debido a su baja inercia rotacional y excelentes características de respuesta dinámica, los motores de par sin bastidor pueden lograr una salida de par más suave y continua, permitiendo que los sistemas de control ofrezcan mayor precisión y estabilidad.

Valor de aplicación: ayuda a lograr control estable del equilibrio dinámico, control de interacción conforme, control de trayectoria de alta precisión y generación de marcha natural, haciendo que el movimiento del robot sea más suave y cercano a los patrones biológicos.

Adecuado para diseño de sistemas integrados y modulares

Los motores de par sin bastidor se combinan típicamente de forma modular con reductores armónicos, codificadores, frenos y controladores para formar unidades de actuadores altamente integradas.

Valor de aplicación: reduce la complejidad estructural y la dificultad del cableado, mejora la integración del sistema y acelera significativamente la velocidad de desarrollo e iteración de robots, siendo ideal para la creación rápida de prototipos.

Estudio de caso Gorilla Mk1: ventajas prácticas de los motores de par sin bastidor en robótica

En la industria robótica, los motores de par sin bastidor ya se han aplicado en proyectos robóticos de alto rendimiento.

Tomando el caso del CubeMars Gorilla Mk1 como ejemplo, este robot diseñado para el mantenimiento de líneas de transmisión de alto voltaje utiliza el motor de par sin bastidor CubeMars RI80 V2.0 como su unidad de accionamiento principal.

El Gorilla Mk1 se utiliza principalmente en escenarios de tareas complejas como inspección de líneas de transmisión aéreas, mantenimiento de líneas de alto voltaje, operaciones en entornos peligrosos y asistencia en rescate en altura. En estas aplicaciones, el robot debe operar durante largos períodos en entornos no estructurados y de alto riesgo, manejando cambios dinámicos de carga y condiciones de contacto complejas.

Por lo tanto, el diseño del sistema debe cumplir simultáneamente los siguientes requisitos clave:

• Alta estabilidad dinámica para manejar condiciones suspendidas e inclinadas

• Capacidad de tracción continua para completar tareas de contacto con líneas y movilidad

• Capacidad de control de par preciso para reducir el impacto mecánico en las líneas de transmisión

• Diseño estructural ligero para mejorar la seguridad operativa y la eficiencia energética a gran altitud

Bajo estas restricciones del sistema, el motor de par sin bastidor no se utiliza como una unidad de rendimiento independiente, sino como la fuente principal de potencia del sistema de accionamiento de la articulación. Se integra en el módulo de accionamiento de rueda y, junto con el reductor, el sistema de control y los componentes estructurales, forma una articulación completa.

Su función ya no se limita a la salida de par individual, sino que trabaja de forma colaborativa con toda la cadena de accionamiento para determinar conjuntamente el rendimiento de movimiento del robot y la capacidad de ejecución de tareas en entornos complejos.

El rendimiento específico del sistema es el siguiente:

Del caso Gorilla Mk1 se puede observar que los motores de par sin bastidor desempeñan un papel importante en los sistemas de articulación de robots de inspección aérea.

En entornos complejos como las operaciones en líneas de transmisión aéreas, los robots deben completar tareas bajo restricciones como condiciones de contacto no estructuradas, cambios de carga altamente dinámicos y operación continua de larga duración. Por lo tanto, el enfoque del diseño del sistema de articulación no está en un único parámetro del motor, sino en la correspondencia coordinada de toda la cadena de accionamiento (motor, reductor, sistema de control y componentes estructurales).

Dentro de esta arquitectura del sistema, los motores de par sin bastidor proporcionan mayor libertad estructural y precisión de control mediante métodos de integración embebida. Sin embargo, su rendimiento aún depende en gran medida del diseño mecánico, las condiciones de gestión térmica y las estrategias de control.

Por lo tanto, su valor en sistemas de articulación robóticos de alta gama puede entenderse con mayor precisión como:

• Proporcionar la “base de accionamiento electromagnético” con alta densidad de par

• Apoyar el diseño compacto de la estructura de la articulación

• Adaptarse a arquitecturas de control de alta dinámica

• Cumplir con los requisitos de operación continua y tareas de control de fuerza

• Mejorar la flexibilidad de integración a nivel de sistema

¿Cómo elegir el motor de par sin bastidor adecuado?

La selección de un motor de par sin bastidor debe basarse en el tamaño de la articulación del robot, la capacidad de carga y los requisitos de rendimiento dinámico. Diferentes escenarios de aplicación corresponden a diferentes soluciones de especificación.

En proyectos prácticos, la selección de un motor de par sin bastidor suele requerir centrarse en las siguientes consideraciones clave:

• Requisitos de par

• Tamaño de la articulación

• Relación de reducción

• Capacidad de disipación térmica

• Velocidad de respuesta dinámica

• Plataforma de voltaje

Diferentes sistemas robóticos tienen requisitos de rendimiento de motor significativamente diferentes, por lo que la selección debe realizarse según el escenario de aplicación específico.

Escenarios de aplicación comunes

Recomendaciones específicas de modelos de motores de par sin bastidor

Conclusión

Los motores de par sin bastidor se están convirtiendo en la solución de potencia central en el diseño de articulaciones robóticas de próxima generación.

Al eliminar la carcasa y las estructuras fijas presentes en los motores tradicionales, los motores de par sin bastidor pueden integrarse en las articulaciones con mayor libertad estructural y combinarse con reductores, codificadores y sistemas de control para formar unidades de accionamiento altamente integradas. Esta estructura proporciona a los robots una mayor flexibilidad de diseño, al tiempo que establece las bases para estructuras ligeras, alto rendimiento dinámico y control de alta precisión.

En aplicaciones prácticas, los motores de par sin bastidor ya se utilizan ampliamente en robots de inspección, dispositivos exoesqueléticos, brazos robóticos colaborativos y equipos de automatización industrial. Mediante la integración profunda con reductores, codificadores y sistemas de control, pueden construir sistemas de articulación más compactos y eficientes, mejorando así la eficiencia general de desarrollo y la fiabilidad del sistema.

En general, los motores de par sin bastidor no solo representan una evolución en la forma del motor, sino también una tendencia importante en el diseño de articulaciones robóticas que pasa del “pensamiento de componentes” al “pensamiento de sistemas”. A medida que los robots evolucionan hacia mayores grados de libertad, mayor rendimiento dinámico y una colaboración humano-robot más natural, la importancia de esta tecnología seguirá aumentando.

En el futuro, con el crecimiento continuo de las industrias de robots humanoides y robótica con IA, se espera que la aplicación de motores de par sin bastidor en sistemas de accionamiento de articulaciones se expanda aún más. En este proceso, las soluciones de motores de par sin bastidor de alto rendimiento representadas por CubeMars también están impulsando continuamente el diseño de articulaciones robóticas hacia menor peso, mayor rendimiento dinámico y mayores niveles de integración.