Caso de estudio del rover marciano de RoboTeam Twente: cómo CubeMars responde a las exigencias de movilidad en terrenos difíciles

Cómo construir un rover de Marte para terrenos difíciles

Un rover de Marte es una de las aplicaciones representativas en el campo de la robótica móvil. A diferencia de los robots móviles convencionales que operan principalmente sobre superficies planas, los rovers de Marte deben enfrentarse a entornos complejos, como terrenos irregulares, suelos blandos, rocas sueltas y pendientes. El robot no solo debe disponer de suficiente fuerza de tracción, sino también mantener la capacidad de control durante el movimiento, teniendo en cuenta al mismo tiempo el peso total del vehículo, el espacio estructural y los requisitos de integración del sistema.

RoboTeam Twente es un equipo interdisciplinario de estudiantes de robótica de los Países Bajos, cuyos miembros proceden de la Universidad de Twente (University of Twente) y de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Saxion (Saxion University of Applied Sciences). El equipo se centra en el desarrollo de sistemas robóticos y abarca múltiples disciplinas, entre ellas el diseño mecánico, los sistemas electrónicos, el control integrado, el desarrollo de software y la inteligencia artificial.

En el proyecto del rover de Marte de RoboTeam Twente, el equipo adoptó una configuración de tracción en las seis ruedas, con un motor independiente para cada rueda. Entre estos componentes, el CubeMars AK70-10 KV100 está instalado en el interior del cubo de la rueda y actúa como actuador de accionamiento de la rueda, integrando estrechamente la unidad de accionamiento con la estructura de la rueda.

En un proyecto de este tipo, el sistema de accionamiento no consiste simplemente en seleccionar un componente individual. El rendimiento del motor y del actuador afecta a la potencia transmitida a las ruedas, a la respuesta del robot ante las órdenes de movimiento y a la disposición mecánica de todo el chasis.

Por lo tanto, cómo lograr un equilibrio entre la potencia de salida, la respuesta de movimiento y la integración del sistema es una consideración importante en el diseño del sistema de accionamiento de un rover de Marte.

Desafíos del sistema de accionamiento: equilibrar la potencia y el control

Durante el desarrollo de un rover de Marte, el sistema de accionamiento debe adaptarse a una variedad de condiciones de movimiento.

1. Los terrenos complejos requieren un par de salida suficiente

Cuando un robot circula por pendientes, suelos blandos o superficies rocosas, sus ruedas deben superar la resistencia del terreno y las variaciones de carga provocadas por la inclinación. Si el sistema de accionamiento no puede proporcionar suficiente par en las ruedas, el robot puede tener dificultades para mantener el movimiento previsto.

Por lo tanto, al seleccionar un actuador de accionamiento, no basta con centrarse únicamente en la velocidad o el tamaño del motor. También es necesario considerar cómo el mecanismo reductor transforma la salida del motor en el par requerido en las ruedas.

El par en las ruedas es un indicador importante para evaluar la capacidad de tracción, pero no puede determinar por sí solo el rendimiento de un rover de Marte al subir pendientes o superar obstáculos. Factores como el radio de las ruedas, la masa total del vehículo, la tracción con el terreno, la estructura del chasis y la distribución de la carga también afectan a la movilidad del robot en terrenos complejos.

2. La respuesta de movimiento influye en la maniobrabilidad del robot

Un rover de Marte no funciona siempre a la misma velocidad. Al ajustar la velocidad de desplazamiento, cambiar de dirección o realizar tareas de movimiento preciso, el sistema de accionamiento debe responder rápidamente a las órdenes de control.

La relación de reducción es uno de los factores clave que afectan a la velocidad de salida y al par del actuador. Una relación de reducción más alta suele proporcionar una mayor multiplicación del par, pero reduce la velocidad de salida, mientras que una relación de reducción más baja suele favorecer una mayor velocidad de salida.

Esto significa que el diseño del sistema de accionamiento debe basarse en los requisitos reales de movimiento del robot, en lugar de asumir simplemente que una relación de reducción más alta siempre es mejor. El punto de funcionamiento del motor, la eficiencia de la transmisión y los parámetros de control también afectan al rendimiento real del actuador.

3. El espacio limitado aumenta la complejidad de la integración del sistema

El chasis de un robot móvil debe reservar espacio para las ruedas, la estructura de suspensión, la batería, el controlador y otros equipos de misión. Si el motor, la caja reductora, el codificador y el controlador de accionamiento deben instalarse y adaptarse por separado, la disposición mecánica y la integración eléctrica pueden volverse más complejas.

Para los equipos de desarrollo de robótica que trabajan simultáneamente en el diseño mecánico, los sistemas electrónicos y el control mediante software, el nivel de integración del actuador también es un factor importante a la hora de evaluar una solución de accionamiento.

Solución de accionamiento de CubeMars: AK70-10 KV100 y accionamiento integrado en el cubo de la rueda

Para un robot móvil con tracción en las seis ruedas, la selección del actuador requiere una evaluación integral del par de salida, la velocidad, las dimensiones de instalación y las interfaces de control. El CubeMars AK70-10 KV100 incorpora una caja reductora planetaria de 10:1 e integra componentes clave, como el motor, el controlador de accionamiento y el codificador, lo que ofrece una opción que se puede evaluar para la disposición mecánica y la integración del control de un sistema de accionamiento robótico.

La relación de reducción determina el importante compromiso entre la velocidad de salida y la multiplicación del par, mientras que una estructura integrada puede ayudar a simplificar la instalación y la adaptación de determinados componentes. Ambos aspectos merecen especial atención en los diseños de accionamiento integrado en el cubo de la rueda, donde el espacio es limitado.

Sin embargo, la idoneidad de un actuador para una plataforma específica de rover de Marte debe evaluarse de forma integral teniendo en cuenta la masa total del vehículo, el radio de las ruedas, la velocidad de desplazamiento objetivo, las condiciones del terreno y los requisitos de disipación térmica durante el funcionamiento continuo.

1. AK70-10 KV100: relación de reducción de 10:1 y accionamiento integrado en el cubo de la rueda

En la presentación del proyecto de RoboTeam Twente, el CubeMars AK70-10 KV100 se muestra como la unidad de accionamiento de las ruedas del rover de Marte de RoboTeam Twente y está instalado en el interior del cubo de la rueda. Esta configuración combina el actuador de accionamiento con la estructura de la rueda y proporciona una referencia práctica para el diseño del chasis y la integración del sistema de accionamiento.

Según las especificaciones oficiales del producto de CubeMars, los principales parámetros del AK70-10 KV100 son los siguientes:

El AK70-10 KV100 utiliza una caja reductora planetaria de 10:1 e integra componentes clave, como el motor, el controlador de accionamiento y el codificador, en un único actuador. Para los equipos de desarrollo de robótica móvil, este enfoque de integración facilita la planificación del sistema de accionamiento en torno a unas dimensiones, unas interfaces de montaje y unas interfaces de control relativamente bien definidas.

En un diseño de accionamiento integrado en el cubo de la rueda, el actuador debe proporcionar suficiente par de salida y, al mismo tiempo, cumplir los requisitos de velocidad objetivo del vehículo, espacio de instalación y funcionamiento continuo. Una relación de reducción más baja suele favorecer una mayor velocidad de salida, pero proporciona una multiplicación del par relativamente menor. Por lo tanto, sigue siendo necesaria una evaluación integral basada en las dimensiones de las ruedas, la carga total del vehículo y las condiciones reales del terreno.

Además, el par nominal y el par máximo de un actuador no equivalen a la capacidad del vehículo para subir pendientes o superar obstáculos. La capacidad de salida continua, la duración admisible del par máximo, la eficiencia de la transmisión, las condiciones de disipación térmica y la tracción con el terreno deben incluirse en el diseño y las pruebas reales.

¿Por qué considerar los actuadores integrados?

Además de las características de salida asociadas a las diferentes relaciones de reducción, la integración del actuador es otro aspecto del proyecto de RoboTeam Twente que merece ser analizado.

El CubeMars AK70-10 KV100 integra componentes clave, como el motor, la caja reductora, el controlador de accionamiento y el codificador, en una única carcasa. En comparación con la selección y la instalación por separado de varios componentes, una solución integrada ofrece la posibilidad de simplificar algunas tareas de instalación mecánica y adaptación del sistema.

Para los equipos de desarrollo de robótica, este enfoque de diseño ofrece varios aspectos de referencia.

1. Simplificar la disposición mecánica del sistema de accionamiento

Las dimensiones exteriores del actuador, las interfaces de montaje y la estructura de salida afectan directamente al diseño del chasis. En el proyecto de RoboTeam Twente, el AK70-10 KV100 está instalado en el interior del cubo de la rueda, por lo que las dimensiones de la unidad de accionamiento y su nivel de integración estructural afectan directamente a la disposición del cubo de la rueda.

El uso de un actuador integrado permite a los desarrolladores planificar la estructura en torno a unas dimensiones y unas interfaces de montaje relativamente bien definidas, reduciendo parte del trabajo de disposición necesario entre componentes independientes.

2. Facilitar el desarrollo coordinado de los sistemas mecánicos y de control

Las soluciones de accionamiento robótico deben abordar simultáneamente la instalación mecánica, la configuración de la alimentación eléctrica, las interfaces de comunicación, los métodos de control y las señales de retroalimentación. Definir de antemano las interfaces y las capacidades de control del actuador ayuda a los equipos mecánicos, electrónicos y de software a coordinar las tareas de integración en torno a una misma solución de accionamiento.

Esto no significa que un actuador integrado elimine la necesidad de realizar la puesta en marcha del sistema. La alimentación eléctrica, los límites de corriente, los protocolos de comunicación, los parámetros de control y el diseño térmico siguen necesitando verificación de acuerdo con la documentación del producto y los requisitos del vehículo completo.

3. Ofrecer flexibilidad de configuración para diferentes requisitos de movimiento

RoboTeam Twente adoptó una configuración de tracción en las seis ruedas, con un motor independiente para cada rueda. Este diseño requiere considerar no solo la capacidad de salida de cada actuador, sino también la configuración de las comunicaciones, la calibración de los parámetros y el control coordinado de múltiples unidades de accionamiento.

En la presentación en vídeo del proyecto, el equipo muestra el proceso de asignación de identificadores (ID) independientes a los motores, su conexión al sistema de control mediante un bus de comunicación compartido y la progresión desde la calibración de un solo motor hasta la puesta en marcha coordinada de las seis ruedas.

Estos detalles muestran que la aplicación de actuadores integrados no solo implica la instalación mecánica, sino también la coordinación con la configuración de las comunicaciones, las interfaces de control y la integración y puesta en marcha del vehículo completo.

¿Qué podemos aprender del caso de estudio de RoboTeam Twente?

El proyecto de RoboTeam Twente demuestra la aplicación de actuadores integrados compactos en una plataforma móvil de seis ruedas y ofrece varios criterios de selección útiles para otros proyectos de robótica móvil.

1. Evaluar el espacio de instalación junto con la estructura de las ruedas y del chasis

Además del diámetro exterior del actuador, es necesario tener en cuenta la longitud axial, las interfaces de montaje, el recorrido de los cables y el espacio necesario para el mantenimiento. En las plataformas con varias ruedas, las dimensiones y el peso de cada unidad de accionamiento también afectan a la disposición general del vehículo.

Por lo tanto, la selección del actuador debe basarse en un diseño integral que tenga en cuenta el cubo de la rueda, la estructura de suspensión y el espacio del chasis, en lugar de juzgar su idoneidad únicamente por el diámetro exterior del actuador.

2. Calcular los requisitos de salida en las ruedas según las condiciones reales de funcionamiento

El peso del vehículo, el radio de las ruedas, la pendiente, la resistencia del terreno y los requisitos para superar obstáculos afectan al par necesario. Las cargas máximas de corta duración y los requisitos de funcionamiento continuo deben evaluarse por separado, dejando un margen adecuado para las condiciones reales de funcionamiento.

El par nominal y el par máximo deben evaluarse por separado, teniendo en cuenta también la capacidad de salida continua, la eficiencia de la transmisión y las condiciones de disipación térmica. Las especificaciones del producto son únicamente el punto de partida para seleccionar un actuador y no pueden sustituir directamente la validación del rendimiento del vehículo completo.

3. Equilibrar la relación de reducción con la velocidad objetivo del vehículo

Una relación de reducción más alta ayuda a proporcionar un par elevado a bajas velocidades, pero también limita la velocidad de salida. Durante la selección, los cálculos y las verificaciones deben tener en cuenta la velocidad objetivo del vehículo, el par en las ruedas y la respuesta dinámica.

Para los robots móviles, la relación de reducción adecuada no es simplemente la más alta ni la más baja posible. En su lugar, debe ofrecer un equilibrio apropiado entre la fuerza de tracción, la velocidad máxima y la respuesta de movimiento para la tarea específica.

4. Planificar el sistema de control con antelación

En las plataformas con seis o más unidades de accionamiento, es necesario confirmar las interfaces de comunicación, los modos de control, los datos de retroalimentación y la configuración de la alimentación eléctrica, además de planificar los identificadores de los motores, las conexiones del bus y los procedimientos de puesta en marcha.

Cuando varias unidades de accionamiento funcionan de manera coordinada, también es necesario prestar atención a la carga de comunicación, la gestión de las órdenes de control y los mecanismos de gestión de fallos. En los robots diseñados para funcionar durante largos periodos, también deben verificarse el aumento de temperatura, la disipación térmica y el rendimiento de salida continua.

La selección final de un actuador de accionamiento debe basarse, en última instancia, en los requisitos del vehículo completo. Solo mediante pruebas con prototipos que validen el par, la velocidad, el aumento de temperatura, la estabilidad de las comunicaciones y el rendimiento real en distintos terrenos pueden los desarrolladores determinar si una solución de accionamiento es adecuada para la aplicación prevista.

Conclusión

El proyecto del rover de Marte de RoboTeam Twente demuestra la importancia del sistema de accionamiento en el desarrollo de robots móviles diseñados para terrenos complejos. Desde la disposición compacta del accionamiento dentro de los cubos de las ruedas hasta el accionamiento independiente y el control coordinado de las seis ruedas, cada decisión de diseño del sistema de accionamiento debe evaluarse en función de los requisitos reales de la misión del robot.

En este caso, el CubeMars AK70-10 KV100 actúa como actuador de accionamiento integrado en el cubo de la rueda del rover de Marte. Incorpora una caja reductora planetaria de 10:1 e integra componentes clave, como el motor, el controlador de accionamiento y el codificador de 14 bits, en una única carcasa. Su par nominal es de 8.3 N·m y su par máximo es de aproximadamente 24.8 N·m, lo que proporciona parámetros específicos del producto como referencia para evaluar soluciones compactas de accionamiento integrado en el cubo de la rueda.

Para los proyectos de rovers de Marte y otros robots móviles, seleccionar una solución de accionamiento adecuada implica algo más que elegir un motor con especificaciones destacadas. Las características de salida del actuador deben corresponderse con la carga total del vehículo, los parámetros de las ruedas, los objetivos de movimiento y el sistema de control. Al mismo tiempo, el espacio de instalación, las condiciones de alimentación eléctrica, la gestión térmica, las capacidades de comunicación y el rendimiento durante el funcionamiento continuo también deben incorporarse al diseño y al proceso de validación generales.

A través del proyecto de RoboTeam Twente, los desarrolladores de robótica pueden comprender mejor cómo evaluar el rendimiento de salida y los métodos de integración de los actuadores a partir de los requisitos prácticos de la aplicación, teniendo en cuenta conjuntamente el rendimiento de potencia, la disposición mecánica y los requisitos de control de múltiples motores. Los actuadores integrados de la serie CubeMars AK ofrecen soluciones de accionamiento que pueden evaluarse para el diseño de robots, mientras que el modelo específico debe seleccionarse de acuerdo con las condiciones de funcionamiento del proyecto y las especificaciones técnicas oficiales.

Si estás desarrollando un rover de Marte, un robot móvil todoterreno u otra plataforma robótica que requiera un sistema de accionamiento compacto, puedes obtener más información sobre los actuadores de la serie CubeMars AK y encontrar una solución de accionamiento adecuada para tu proyecto en función de tus requisitos de carga, velocidad y control.