Actuadores en robótica y cómo elegirlos

01 · Punto de partida

Elegir desde la tarea

Un actuador convierte energía en una acción física. En un robot puede girar una rueda, mover una articulación, cerrar una pinza o empujar una pieza. Elegirlo empieza por describir el movimiento y la carga, no por buscar el motor con la cifra más grande.

Un vehículo necesita giro continuo; una pinza, recorrido limitado y control del esfuerzo; un brazo vertical, además, debe considerar qué ocurre al perder energía. Esas diferencias cambian tanto la mecánica como el control.

• Movimiento: rotativo o lineal, continuo o de recorrido limitado.
• Carga: masa, fuerzas externas, fricción y orientación respecto de la gravedad.
• Dinámica: velocidad, aceleración, frenado y cambios de sentido.
• Servicio: duración, repetición, ambiente y necesidad de sostener una carga.
• Control: precisión, sensores, comportamiento ante fallos y alimentación disponible.

La guía de dimensionamiento de Oriental Motor organiza la selección desde mecanismo, carga, velocidad y tiempo de operación. Vamos a aplicar esa idea a ejemplos pequeños y explícitos.

02 · Opciones de movimiento

Familias de actuadores

«Servo» describe un accionamiento con realimentación; en kits educativos suele referirse al conjunto compacto de motor, engranajes, sensor y control. Un servo de rotación continua puede interpretar la orden como velocidad o sentido en lugar de posición: verificá el modelo.

Un motor paso a paso no garantiza posición solo por recibir pulsos. Si la carga supera el torque disponible puede perder sincronismo. Un motor DC con encoder y control apropiado también puede posicionarse. La elección depende del sistema completo.

03 · Esfuerzo rotativo

Torque: fuerza con brazo de palanca

El torque, momento o par describe el efecto rotativo de una fuerza. Si la fuerza es perpendicular al brazo:

La unidad del SI es newton metro, N·m. Una fuerza tangencial de 10 N sobre una rueda de radio 0,03 m requiere 0,30 N·m en ese eje. Si duplicás el radio para producir la misma fuerza, duplicás el torque.

En fichas pequeñas aparece kgf·cm, a veces escrito informalmente «kg·cm». Es fuerza por distancia, no masa por distancia:

No se puede afirmar que un servo «levanta 10 kg» solo porque anuncia 10 kgf·cm: el resultado depende del brazo de palanca, la orientación y el régimen permitido. Además, ese dato puede ser un límite de bloqueo, no un esfuerzo continuo.

04 · Trabajo por unidad de tiempo

Velocidad y potencia mecánica

El torque indica esfuerzo; la velocidad angular indica qué tan rápido se mueve el eje. La potencia mecánica los relaciona en el mismo punto de operación:

Un eje que entrega 0,20 N·m a 120 RPM produce aproximadamente 0,20 × 120 × 2π / 60 = 2,51 W. No se calcula potencia útil multiplicando torque de bloqueo por velocidad en vacío: son condiciones diferentes que no ocurren simultáneamente.

La potencia eléctrica de entrada es mayor que la salida mecánica cuando hay pérdidas. Tampoco basta conocer watts para elegir: 5 W a gran velocidad y poco torque pueden necesitar una transmisión para mover lentamente una carga.

En reposo, un motor puede sostener torque y disipar calor aunque su potencia mecánica de salida sea cero, porque ω = 0. «No se mueve» no significa «no consume».

05 · Adaptar esfuerzo y velocidad

Qué cambia un reductor

Definimos G como vueltas del motor por vuelta de salida. En una reducción 10:1, el motor da diez vueltas cuando la salida da una. Con eficiencia η en la transmisión:

Un motor entregando 0,02 N·m a 3000 RPM, con G = 10 y η = 0,8, produce en el modelo 0,16 N·m a 300 RPM. La potencia pasa de unos 6,28 W a 5,03 W. La caja cambia la combinación de esfuerzo y velocidad; no crea energía.

Pololu presenta este intercambio de velocidad y torque mediante engranajes. En una selección real también importan torque máximo de la caja, velocidad de entrada, cargas radiales, holgura y vida útil.

Más reducción puede resolver falta de torque, pero exigir demasiadas RPM al motor para alcanzar la velocidad deseada. Si la ficha del motorreductor ya informa la salida, no vuelvas a aplicar su relación como si fuera un motor sin caja.

06 · Un vehículo de dos motores

Dimensionar la tracción de un vehículo

Para un robot que acelera cuesta arriba en línea recta, podemos estimar la fuerza total mediante un modelo sencillo:

m es masa total; a, aceleración longitudinal; β, ángulo de pendiente; Crr, coeficiente de resistencia a la rodadura; r, radio de rueda; v, velocidad lineal. Suponemos dos motores que comparten por igual el esfuerzo. Crr no es el coeficiente de adherencia.

Con m = 2 kg, a = 0,5 m/s², β = 5°, Crr = 0,03, r = 0,03 m y v = 0,4 m/s obtenemos aproximadamente:

• Fuerza total: 3,296 N.
• Torque físico por rueda: 0,0494 N·m.
• Velocidad de cada rueda: 127,3 RPM.
• Potencia mecánica total en las ruedas en ese instante: F · v ≈ 1,319 W.

Para explorar incertidumbre usaremos un factor de diseño de 1,5 sobre el torque: resulta 0,0742 N·m por rueda. Es una hipótesis didáctica, no un factor universal ni una evaluación completa de seguridad.

07 · Cargas gravitatorias

Sostener y acelerar una articulación

En una articulación horizontal que sostiene una masa puntual, el torque gravitatorio depende de la distancia perpendicular entre el eje y la línea de acción del peso. Una carga de 0,2 kg a 10 cm necesita, en esa posición:

Falta agregar el peso del propio brazo, la pinza y otras piezas, cada uno con su centro de masa. Si el brazo uniforme pesa 0,1 kg y mide 10 cm, su contribución horizontal es aproximadamente 0,1 × 9,81 × 0,05 = 0,0491 N·m. El total estático llega a unos 0,245 N·m.

Para acelerar una articulación aparece además torque asociado a la inercia:

J es el momento de inercia referido al eje y α la aceleración angular en rad/s². En mecanismos de varios eslabones puede cambiar con la configuración y el movimiento de otros ejes.

No supongas que una gran reducción impide la caída al cortar energía. La posibilidad de retroceso depende de la transmisión. Una carga vertical puede necesitar freno, contrapeso o retención mecánica, además del control del motor.

08 · Comparar datos compatibles

Leer la ficha sin mezclar máximos

Una ficha puede indicar velocidad en vacío, torque de bloqueo, corriente nominal, torque continuo, torque pico y restricciones térmicas. No son distintas formas de describir el mismo punto de trabajo.

Oriental Motor distingue retención y características torque–velocidad en sus especificaciones de paso a paso. Para movimiento se compara con la curva y las condiciones del driver, no solo con el torque estático.

La elección debe cubrir los puntos del ciclo: arrancar, acelerar, mantener, frenar y sostener. Un pico admisible durante poco tiempo no equivale a un valor continuo. La repetición de picos también genera calor.

En el próximo tema estudiaremos la curva torque–velocidad de motores DC. Aquí lo esencial es ubicar la demanda simultánea de torque y RPM dentro de una región de funcionamiento realmente permitida.

09 · Código ejecutable

Comparar reducciones con Python

Usaremos el vehículo anterior y un conjunto ficticio de motor y controlador que, por definición del ejercicio, admite simultáneamente hasta 0,025 N·m en cualquier velocidad entre 0 y 4000 RPM. No es la curva de un motor DC real. Cada caja admite hasta 1 N·m de salida y tiene eficiencia constante de 0,8.

from math import pi, sin, cos, radians

masa = 2.0
aceleracion = 0.5
pendiente = radians(5)
radio = 0.03
velocidad = 0.4
g = 9.81
crr = 0.03
factor_diseno = 1.5
eficiencia = 0.8

fuerza = masa * (aceleracion + g * sin(pendiente)
                + crr * g * cos(pendiente))
torque_salida = factor_diseno * fuerza * radio / 2
rpm_salida = 60 * velocidad / (2 * pi * radio)

print(f"Torque de diseño por rueda: {torque_salida:.4f} N·m")
print(f"Velocidad de rueda: {rpm_salida:.1f} RPM")

for relacion in (1, 2, 5, 10, 20, 40, 60):
    torque_motor = torque_salida / (relacion * eficiencia)
    rpm_motor = rpm_salida * relacion
    torque_ok = torque_motor <= 0.025
    velocidad_ok = rpm_motor <= 4000
    caja_ok = torque_salida <= 1.0
    cumple = torque_ok and velocidad_ok and caja_ok
    print(f"G={relacion:2}; motor={torque_motor:.4f} N·m; "
          f"{rpm_motor:.0f} RPM; cumple modelo={cumple}")

Con esos datos, pasan las relaciones 5, 10 y 20. G = 1 y 2 exigen demasiado torque al motor; G = 40 y 60 exigen demasiadas RPM. La demanda de salida no cambia: cambia cómo se transforma hacia el motor.

La región ficticia permite aislar el compromiso de transmisión. En una selección real reemplazá esos límites por una curva o región conjunta válida a la tensión, refrigeración y régimen de trabajo considerados.

10 · Exploración interactiva

Laboratorio: encontrar una reducción compatible

Modificá los requisitos del vehículo y observá qué demanda llega al motor. Se usa la misma región ficticia del ejemplo Python: torque de motor ≤ 0,025 N·m, velocidad ≤ 4000 RPM y torque de salida de caja ≤ 1 N·m.

La potencia mostrada es F · v del modelo físico en las dos ruedas; no incluye el factor de diseño ni es consumo eléctrico. El laboratorio no comprueba adherencia, inercias rotativas, capacidad de batería, driver, calentamiento, frenado o estructura. Cumplir las comparaciones no aprueba un montaje real.

Recorrido guiado

1. Con los valores iniciales y G = 10, la demanda de motor es aproximadamente 0,0093 N·m a 1273 RPM. Pasa los tres límites ficticios.
2. Bajá G a 2: se requieren unos 0,0464 N·m. Falta torque, aunque la velocidad pedida sea baja.
3. Subí G a 40: baja la demanda de torque, pero el motor necesitaría unas 5093 RPM. Más reducción también tiene un costo.
4. Restablecé y duplicá el radio a 6 cm: el torque de rueda se duplica y sus RPM se reducen a la mitad. La potencia física F · v queda igual.
5. Restablecé y subí masa, pendiente y aceleración: aumenta el esfuerzo. Puede desaparecer toda relación compatible con la región disponible.
6. Con 8 kg, 20°, 2 m/s² y radio de 8 cm, la caja de 1 N·m tampoco alcanza. Cambiar solo la relación no corrige su límite de salida.

11 · Integración

Motor, driver, energía y realimentación

Una elección mecánica necesita cuatro comprobaciones adicionales antes de mover el robot:

• Eléctrica: tensión, corriente de arranque, corriente continua, límite del driver y capacidad de la fuente.
• Térmica: duración y repetición del esfuerzo, ventilación y temperaturas admisibles.
• Mecánica: montaje, ejes, rodamientos, cargas laterales, holgura y resistencia de la transmisión.
• Control: qué se ordena, qué se mide, cada cuánto y cómo se responde a fallos.

El encoder del tema anterior permite observar giro; un sensor de corriente aporta otra evidencia del esfuerzo. Ninguno elimina la necesidad de elegir un motor capaz de cumplir la demanda. Un controlador no puede corregir una falta física de torque aumentando indefinidamente la orden.

Para un motor DC, una corriente elevada con poco giro puede indicar un atasco o carga excesiva. La respuesta debe limitar esfuerzo y duración; no esperar a que algo se caliente lo suficiente como para fallar.

La parada depende de energía e inercia. Al frenar, puede devolverse energía a la alimentación. Al cortar, una carga puede caer o seguir moviéndose. Recuperá las decisiones de alimentación y estado seguro del tema 4 al completar la selección.

12 · Método y diagnóstico

Método y errores frecuentes

1. Describí el ciclo de movimiento y la condición más exigente de cada etapa.
2. Calculá fuerzas y torques en el eje de carga, separando gravedad, aceleración y pérdidas.
3. Definí velocidad y aceleración con unidades y tiempos explícitos.
4. Transformá requisitos por la transmisión, con eficiencia y relación reales.
5. Compará puntos de trabajo con regiones continuas y picos admisibles, no con máximos aislados.
6. Verificá alimentación, driver, mecánica, temperatura y respuesta ante fallos.
7. Probá con movimiento contenido y carga progresiva, registrando corriente, velocidad y temperatura.

13 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Fuerza y radio

Una rueda debe ejercer 8 N tangenciales y tiene radio de 4 cm. ¿Qué torque necesita en su eje?

2. Unidades de un servo

Una ficha indica 5 kgf·cm. ¿Cuánto representa en N·m? ¿Alcanza ese dato para afirmar que es torque continuo?

3. Reducción con pérdidas

Un motor entrega 0,03 N·m a 2000 RPM. Con G = 20 y eficiencia 0,75, ¿qué obtiene la salida?

4. Potencia mecánica

La salida entrega 0,45 N·m a 100 RPM. ¿Qué potencia produce?

5. Velocidad de una rueda

Querés 0,5 m/s con radio de 5 cm. ¿Qué RPM necesitás en la rueda? Con G = 10, ¿cuáles son las RPM de motor?

6. Carga suspendida

Una articulación sostiene 0,3 kg a 12 cm, horizontalmente. ¿Qué torque aporta esa masa? ¿Qué falta antes de elegir el actuador?

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 11?

Antes de avanzar, elegí una rueda o una articulación y calculá el torque y la velocidad requeridos. Indicá el eje, las unidades, los supuestos y qué datos de ficha todavía necesitás para comparar un motor.

En el próximo tema estudiamos motores de corriente continua: principio de funcionamiento, curva torque–velocidad y manejo con transistor.