Robots con patas vs robots con ruedas: comparación de diseño, rendimiento y requisitos de motores

Definiciones de robots con patas y robots con ruedas

Robot con patas

Los robots con patas simulan el movimiento biológico, utilizando múltiples articulaciones y sistemas de actuación para lograr una locomoción flexible. Generalmente se basan en algoritmos de control de marcha de alta precisión y en modelos dinámicos que les permiten adaptarse mejor a terrenos complejos.

El diseño de estos robots incluye sistemas de actuación con múltiples grados de libertad y sistemas eficientes de control de motores, como el robot monopata StaccaToe, desarrollado por la Universidad de Massachusetts Amherst.

Robot con ruedas

Los robots con ruedas se basan en sistemas de tracción simples pero eficientes. Suelen tener menores costos de fabricación y mayores velocidades, lo que los hace adecuados para la mayoría de entornos industriales y comerciales.

Estos robots utilizan motores para accionar las ruedas, permitiendo movimiento lineal y de dirección, lo que posibilita una operación eficiente y de alta velocidad en superficies planas, como el robot de cuatro ruedas Legacy V2, desarrollado por el equipo BR de la Universidad de Saban.

Robots con patas vs robots con ruedas: análisis de rendimiento con Legacy V2 y StaccaToe

La siguiente tabla compara las principales diferencias entre robots con patas y robots con ruedas en términos de movilidad, complejidad de control y requisitos del sistema de motores.

Selección de motores para robots con patas: equilibrio entre alto par y control preciso 

Los robots con patas deben operar en entornos complejos, incluyendo pendientes, obstáculos y terrenos irregulares.

Para lograr estos movimientos precisos, requieren no solo un alto par, sino también la capacidad de suministrar potencia continua manteniendo precisión y estabilidad.

Por lo tanto, a la hora de seleccionar motores para robots con patas, es necesario tener en cuenta de forma exhaustiva factores como los requisitos de par, la precisión de movimiento y la eficiencia energética, a fin de garantizar que el robot pueda realizar tareas complejas.

Equilibrio entre par y precisión

El principal desafío es proporcionar alto par manteniendo alta precisión y baja vibración.

Una solución común es el uso de módulos articulares que integran un motor BLDC, un reductor y un codificador, permitiendo un control preciso incluso a bajas velocidades.

• Alta precisión

Se utilizan motores BLDC con codificadores de alta precisión o actuadores servo integrados. El control en lazo cerrado permite una retroalimentación precisa de posición y par, garantizando estabilidad y repetibilidad.

• Alta capacidad de respuesta

Motores de baja inercia o soluciones de accionamiento directo, combinados con controladores de alto ancho de banda, permiten respuestas dinámicas rápidas, esenciales para movimientos como saltos y amortiguación de aterrizaje.

Diseño de alto rendimiento y eficiencia energética

Dado que estos robots deben operar durante largos periodos, la eficiencia energética es clave.

El uso de motores y sistemas de accionamiento de alta eficiencia permite prolongar el tiempo de operación sin sacrificar el rendimiento, reduciendo pérdidas energéticas y mejorando la autonomía.

Sistemas de control integrados y ajuste dinámico

Se requieren sistemas de control altamente integrados capaces de ajustar dinámicamente la salida del motor.

El sistema debe soportar control en lazo cerrado de posición, velocidad y par, permitiendo una adaptación precisa a diferentes condiciones de carga y entorno.

Aplicación práctica

En el caso del robot monopata StaccaToe, el actuador AK80-9 KV100 V3.0utilizado en la rodilla proporciona alto par y rápida respuesta, garantizando un control preciso incluso en terrenos complejos.

Su control multibucle (posición, velocidad, par y modo híbrido MIT) permite adaptarse a variaciones de carga, mejorando la estabilidad y agilidad.

Los actuadores AK10-9 V2.0 KV60 y AK60-6 V1.1 KV80 utilizados en tobillo y pie proporcionan control de par de alta precisión, asegurando estabilidad en tareas como saltos y equilibrio.

Parámetros clave

Selección de motores para robots con ruedas: optimización de alta eficiencia y control flexible

En comparación con los robots con patas, los robots con ruedas dependen más del par continuo y de la eficiencia del sistema de transmisión que del par dinámico de las articulaciones.

Los robots con ruedas suelen operar en superficies relativamente planas, con tareas principales que incluyen desplazamiento rápido, posicionamiento preciso y ejecución eficiente de tareas. Aunque requieren menor adaptabilidad al terreno que los robots con patas, las exigencias de alta velocidad y dirección ágil siguen requiriendo sistemas de motor precisos y un control avanzado del accionamiento.

Por lo tanto, al seleccionar motores para robots con ruedas, es fundamental elegir sistemas de potencia que proporcionen alto par, alta eficiencia energética y control preciso.

Alto par y alta eficiencia

• Alto par

Los robots con ruedas requieren un alto rendimiento de par durante el arranque, la aceleración y las variaciones de carga (como en el manejo de materiales o el ascenso de pendientes). Una solución común es utilizar motores BLDC combinados con reductores planetarios, lo que permite amplificar significativamente el par de salida manteniendo una respuesta rápida.Esta configuración garantiza un suministro de par estable y continuo a bajas velocidades, permitiendo al robot mantener un rendimiento fiable y una alta estabilidad incluso bajo cargas elevadas o durante operaciones prolongadas.

• Alta eficiencia

Los robots con ruedas suelen operar de forma continua durante largos periodos, por lo que la eficiencia del sistema es un factor clave para la autonomía. Mediante el uso de motores BLDC de alta eficiencia combinados con algoritmos FOC (Control Orientado al Campo), es posible reducir eficazmente las pérdidas eléctricas y la generación de calor.Además, el diseño sin escobillas minimiza la fricción mecánica, mejorando la eficiencia de conversión energética. En aplicaciones reales, esto no solo prolonga la duración de la batería, sino que también mejora la fiabilidad del sistema, satisfaciendo las demandas de alta eficiencia en logística, almacenamiento y automatización industrial.

Accionamiento diferencial y omnidireccional

Al seleccionar motores, los robots con ruedas suelen adoptar sistemas de accionamiento diferencial u omnidireccional para mejorar la movilidad y la precisión de control:

• Sistema de accionamiento diferencial

Controlando la diferencia de velocidad entre las ruedas izquierda y derecha, el robot puede realizar giros y ajustar su velocidad. Este enfoque es simple, eficiente y ampliamente utilizado en aplicaciones que requieren estabilidad y control sencillo.

• Sistema de accionamiento omnidireccional

Mediante el uso de múltiples ruedas omnidireccionales, los robots pueden desplazarse suavemente en cualquier dirección. Esto resulta ideal para aplicaciones que requieren alta maniobrabilidad en espacios reducidos o posicionamiento preciso.

Sistemas de accionamiento eficientes y control

Para mejorar la eficiencia global y garantizar un funcionamiento estable a largo plazo, los robots con ruedas dependen de sistemas de accionamiento eficientes y de un control inteligente del motor.

Estos sistemas pueden ajustar dinámicamente la salida del motor según los requisitos de la tarea, al tiempo que minimizan el consumo energético mediante un control preciso. Al regular con exactitud el par y la velocidad, los robots con ruedas pueden ejecutar tareas de forma fluida y eficiente en una amplia variedad de aplicaciones.

Aplicación práctica

En el University Rover Challenge (URC) 2024, el equipo TMR adoptó el actuador AK70-10 KV100 de CubeMars, el cual cumple con los requisitos clave de los robots con ruedas en cuanto a alto par, alta eficiencia energética y control preciso.

Esto permitió que el robot mantuviera estabilidad y eficiencia durante misiones prolongadas y de alta carga, mejorando significativamente la capacidad de respuesta y el rendimiento operativo del rover.

Parámetros clave

Cómo elegir el tipo de robot adecuado para su aplicación

Ventajas y aplicaciones de los robots con patas

Adaptabilidad al terreno y flexibilidad

La principal ventaja de los robots con patas es su excepcional capacidad para adaptarse a terrenos complejos. Pueden desplazarse fácilmente por escaleras, superficies irregulares y obstáculos, lo que los hace especialmente adecuados para entornos exigentes como la respuesta ante desastres y el reconocimiento militar.

Optimización del sistema de motores y control

Mediante el uso de sistemas de actuación de alta eficiencia y algoritmos de control avanzados, los robots con patas pueden mejorar significativamente la estabilidad del movimiento mientras optimizan el consumo energético.

Esto resulta especialmente crítico en misiones de larga duración, como operaciones de búsqueda y rescate o exploración en campo.

Aplicaciones

Respuesta ante desastres: capacidad para desplazarse entre escombros y acceder a zonas de difícil alcance para localizar supervivientes

Reconocimiento militar: operación en terrenos difíciles y ejecución de misiones complejas de exploración

Ventajas y aplicaciones de los robots con ruedas

Eficiencia y estabilidad

Los robots con ruedas destacan en entornos planos, ofreciendo alta velocidad y eficiencia operativa. Se utilizan ampliamente en automatización industrial, gestión de almacenes y manipulación de materiales.

Selección de motores y rendimiento

Estos robots suelen emplear motores BLDC y actuadores caracterizados por su alta eficiencia, bajo nivel de ruido y larga vida útil. Estas características los hacen ideales para aplicaciones que requieren funcionamiento continuo y estable.

Aplicaciones

Almacenamiento automatizado: transporte eficiente de mercancías y mejora de la productividad

Manipulación de materiales: transporte rápido y preciso en fábricas y centros logísticos

Robots con patas o con ruedas: ¿cómo elegir?

La elección entre robots con patas y con ruedas depende de varios factores clave:

• Requisitos del terreno: los robots con patas son más adecuados para entornos irregulares y con obstáculos

• Velocidad y eficiencia energética: los robots con ruedas son ideales para operaciones rápidas y eficientes en superficies planas

• Presupuesto y mantenimiento: los robots con patas implican mayor inversión y complejidad, mientras que los robots con ruedas son más rentables

Conclusión

La elección entre robots con patas y robots con ruedas depende en última instancia del equilibrio entre los requisitos de la aplicación y las prioridades de rendimiento.

Los robots con patas destacan en entornos complejos que requieren alta flexibilidad y control preciso del movimiento, mientras que los robots con ruedas ofrecen mayor eficiencia y rentabilidad en entornos estructurados.

Al mismo tiempo, la selección del motor desempeña un papel fundamental como núcleo del sistema de accionamiento, influyendo directamente en el rendimiento global y la estabilidad del sistema. Lograr un diseño óptimo requiere una integración cuidadosa entre la arquitectura del robot y el sistema de motores, garantizando el mejor equilibrio entre rendimiento, eficiencia y coste.