Un actuador de robot es la pieza que transforma una orden en movimiento. Sin él, un robot no es más que un chasis lleno de sensores y código. Sin embargo, con los actuadores adecuados, esa misma máquina puede levantar objetos, caminar y agarrar. Esta guía presenta los principales tipos de actuadores y explica cómo los ingenieros eligen entre ellos. También muestra por qué estos componentes determinan en gran medida las capacidades de un robot.
¿Qué es un actuador robótico?
Un actuador convierte la energía en movimiento. Esta energía puede ser eléctrica, proceder de la presión de un fluido o del aire comprimido. El movimiento puede adoptar la forma de una rotación, un empuje o una tracción. En otras palabras, el actuador es el músculo de la máquina.
Un controlador le envía una señal. A continuación, el actuador acciona una articulación, una rueda o un dedo. Al mismo tiempo, unos sensores transmiten el resultado al controlador. Este bucle permite al robot corregir sus propios movimientos.
La relación con la IA física
En la IA física, el software debe actuar en el mundo real. Es a nivel del actuador donde se produce esta acción. Un modelo de planificación ingenioso no sirve de nada si las articulaciones no pueden seguir sus órdenes. Por lo tanto, la calidad del hardware establece un límite a lo que el software puede lograr.
Principales tipos de actuadores robóticos
La mayoría de los actuadores robóticos se clasifican en tres familias. Cada una de ellas supone un equilibrio entre potencia, velocidad y control. Los ingenieros eligen el que mejor se adapta a la tarea que hay que realizar.
Actuadores eléctricos
Los motores eléctricos son la opción más habitual. Son limpios, silenciosos y fáciles de controlar. Tanto los servomotores como los motores paso a paso forman parte de esta categoría. Además, se combinan bien con baterías y controladores digitales.
La mayoría de los brazos robóticos industriales utilizan accionamientos eléctricos. El brazo robótico industrial es un buen ejemplo de ello. Cada articulación está equipada con un motor y un reductor. El reductor sacrifica la velocidad en favor del par, lo que permite que un motor pequeño mueva una carga pesada.
Actuadores hidráulicos
Los actuadores hidráulicos impulsan un fluido a través de cilindros. Desarrollan una fuerza muy elevada a pesar de su tamaño compacto. Por eso, las máquinas pesadas, como las excavadoras hidráulicas, se basan en este tipo de sistema. Algunos robots con patas recurren a la hidráulica por la misma razón.
Sin embargo, las desventajas son reales. Las bombas son ruidosas y las fugas pueden causar daños. Además, el sistema requiere un mantenimiento regular.
Actuadores neumáticos
Los actuadores neumáticos utilizan aire comprimido. Son ligeros, económicos y rápidos. Muchas pinzas sencillas funcionan de esta manera. Sin embargo, dado que el aire es fácil de comprimir, el posicionamiento preciso resulta más difícil.
Cómo determinan el movimiento los actuadores robóticos
Hay tres cualidades fundamentales. En primer lugar está el par: se trata de la fuerza de torsión ejercida en una articulación. La velocidad determina la rapidez con la que la articulación puede girar. Por último, la precisión describe en qué medida la articulación alcanza su objetivo, lo cual es esencial para tareas como la inserción de una pieza pequeña.
Estas cualidades se contraponen entre sí. Un actuador potente suele ser pesado. Un actuador rápido puede generar vibraciones. Por lo tanto, los diseñadores rara vez optimizan una característica sin comprometer otra.
El peso también influye en el diseño. Un actuador pesado en la muñeca obliga al motor del hombro a realizar un esfuerzo adicional. Por eso, muchos robots colocan los motores cerca del cuerpo y accionan las extremidades mediante cables o correas.
Flexibilidad y seguridad
Los actuadores rígidos pueden causar lesiones a las personas. Los diseños más recientes incorporan resortes o materiales flexibles, de modo que la articulación cede al contacto. Este principio se denomina flexibilidad. Es esencial para los robots que trabajan junto a los seres humanos.
Este mismo principio se aplica a la pinza del robot. Un dedo flexible se adapta a la forma de un huevo o de un tornillo. De este modo, necesita menos sensores para evitar aplastar el objeto.
Elección de los actuadores robóticos en máquinas reales
Los robots humanoides ilustran claramente estas compensaciones. Un humanoide necesita piernas potentes, brazos ligeros y manos hábiles. Por lo tanto, cada parte puede utilizar un tipo de actuador diferente. La descripción general de los actuadores en Wikipedia enumera los principales principios físicos que subyacen a estas elecciones.
El coste también influye en las decisiones. Los motores de alto par equipados con reductores de precisión son caros. Por eso, los actuadores suelen representar una parte importante del precio de un robot. Los componentes más económicos pueden permitir que los robots conquisten nuevos mercados, pero corren el riesgo de desgastarse más rápidamente.
El control es tan importante como el hardware. Los sensores transmiten datos a un bucle de control que ajusta el actuador varias veces por segundo. Nuestra guía sobre la fusión de sensores muestra cómo los robots combinan varias señales para obtener una imagen fiable. Una mejor retroalimentación permite incluso que los actuadores más modestos se muevan con suavidad.
Elegir el actuador adecuado para un robot
Empieza por definir la tarea que hay que realizar. Por ejemplo, un robot de preparación de pedidos en un almacén necesita velocidad y repetibilidad. Los robots de rescate, por el contrario, necesitan potencia y robustez. Los dispositivos médicos exigen movimientos suaves y precisos, ya que el más mínimo error puede perjudicar a un paciente.
A continuación, evalúa las limitaciones prácticas. Comprueba la fuente de alimentación, el peso y el entorno de trabajo. El polvo, el agua y el calor pueden reducir la vida útil de un actuador. Además, hay que prever el mantenimiento desde el principio.
En resumen, el actuador robótico es el punto de encuentro entre la inteligencia y el mundo físico. Los diseños eléctricos, hidráulicos y neumáticos tienen cada uno su lugar. La mejor opción es aquella que ofrece un equilibrio entre par, velocidad, precisión y coste para la tarea que se debe realizar. Para saber más sobre este campo, sigue las noticias en IEEE Spectrum.