1.1 Antecedentes de la investigación
Con el rápido avance de la ciencia y la tecnología,capacidades inteligentesLa fabricación inteligente continúa mejorando, convirtiéndose en una tendencia predominante en el desarrollo industrial. Por ejemplo, datos publicados por el Ministerio de Industria de la Información de China muestran que la fabricación inteligente nacional alcanzó un notable crecimiento del 11,6 % en 2023, lo que demuestra los esfuerzos sostenidos del país y la innovación tecnológica en este campo. Además, el número de innovaciones entre las empresas de fabricación inteligente ha aumentado significativamente, abarcando sectores como la fabricación de equipos de alta gama, materiales avanzados y tecnologías ambientales, lo que refleja la vitalidad y la profunda transformación de la industria. Esta tendencia no solo ha revolucionado los métodos de producción tradicionales, sino que también ha acelerado la modernización industrial, mejorando tanto la eficiencia como la calidad. Cada vez más, las líneas de producción automatizadas y los robots industriales están reemplazando la mano de obra humana.
Con el avance de laera de fabricación inteligenteLas características tecnológicas altamente automatizadas e inteligentes de los robots industriales se alinean perfectamente con las crecientes demandas de la industria manufacturera en cuanto a alta precisión, facilidad operativa y flexibilidad en los procesos de producción. Esto ha elevado su importancia en la fabricación, convirtiéndolos en una fuerza fundamental que impulsa la transformación y la modernización industrial. Los robots colaborativos —dispositivos industriales capaces de lograr la colaboración entre máquinas y entre humanos y robots— se han convertido en un foco clave en la investigación robótica debido a su comportamiento autónomo y capacidades colaborativas, lo que los posiciona para desempeñar un papel dominante en la robótica industrial del futuro. En la tecnología de robots colaborativos, las métricas de rendimiento de los servomotores —incluidas la velocidad de respuesta del par, la precisión del par, la precisión de posicionamiento, el consumo de energía y la estabilidad de la temperatura— determinan directamente la eficiencia, la estabilidad y la precisión del movimiento de un robot. Como núcleo de potencia de los robots, el rendimiento de los sistemas de servo tiene un impacto crítico en la precisión y la fiabilidad del movimiento. Cabe destacar que los servomotores de las articulaciones desempeñan un papel fundamental para lograr la precisión de posicionamiento. Un excelente servomotor de articulación garantiza un posicionamiento preciso y un movimiento estable durante tareas complejas, lo que mejora la eficiencia operativa y minimiza los errores.
El «14.º Plan Quinquenal para el Desarrollo de la Industria Robótica» hace hincapié en el avance de la investigación sobre articulaciones robóticas inteligentes integradas, especialmente idóneas para robots colaborativos. Su diseño altamente integrado incorpora actuadores, sensores y controladores directamente en la articulación, convirtiéndola en una unidad de control independiente. Al optimizar la estructura y la disposición internas, la arquitectura de control distribuido reduce significativamente el número de cables entre los distintos niveles del sistema, disminuyendo así los costes de mantenimiento y mejorando la fiabilidad general. El diseño modular también facilita la sustitución y el mantenimiento de las articulaciones, impulsando sustancialmente la competitividad de los robots colaborativos en el mercado.
Elconcepto de robots colaborativosSe introdujo por primera vez en 1996, y su filosofía de diseño revolucionó la robótica tradicional al permitir operaciones coordinadas entre robots y humanos en las líneas de producción. Este enfoque colaborativo no solo aprovecha la eficiencia y precisión de los robots, sino que también integra la inteligencia y flexibilidad humanas, mejorando la eficiencia y fluidez operativa. En comparación con los robots industriales convencionales, los robots colaborativos presentan características distintivas, consolidándose como una subcategoría importante dentro del campo de la robótica. Tanto sus estructuras físicas como sus sistemas de control han sufrido modificaciones sustanciales. Los robots industriales tradicionales, como las configuraciones de brazos robóticos representadas en la Figura 1, se utilizan principalmente en aplicaciones de paletización, manipulación de materiales, soldadura y corte por láser. Si bien estos robots se caracterizan por su alta rigidez, estabilidad estructural y gran capacidad de carga, también presentan limitaciones: tamaño y masa relativamente grandes, inercia de movimiento significativa, diseños voluminosos con poca flexibilidad e incapacidad para realizar tareas de ensamblaje altamente ágiles. Además, su considerable momento inercial y sus movimientos a alta velocidad representan riesgos de seguridad considerables para el personal dentro de su radio de operación, lo que requiere su funcionamiento en áreas cerradas.
Figura 1. Brazos robóticos industriales tradicionales y robots colaborativos.
Los robots colaborativos permiten la operación simultánea con humanos en espacios compartidos y facilitan la interacción a corta distancia dentro de zonas de colaboración. En comparación con los brazos robóticos tradicionales, los robots colaborativos suelen soportar una carga máxima de 20 kg en su efector final, con un alcance operativo comparable al de un brazo humano. Su estructura es más simple que la de los brazos robóticos industriales convencionales con complejos mecanismos de transmisión, a la vez que ofrecen una retroalimentación de fuerza precisa, flexibilidad y robustas capacidades de percepción. Estas características les permiten ajustar dinámicamente la fuerza durante las interacciones humanas, previniendo eficazmente daños violentos. En consecuencia, los robots colaborativos pueden colaborar de forma segura con los humanos para completar tareas sin necesidad de barreras de seguridad tradicionales.
Los robots colaborativos realizan operaciones con contacto directo con humanos; por lo tanto, la seguridad es un requisito indispensable en la colaboración humano-robot. Es fundamental controlar estrictamente la potencia operativa y el par de rotación, empleando medidas técnicas como el control de corriente, el control de par, los sensores de contacto y la detección de colisiones para prevenir lesiones al personal. Los sistemas de control de accionamiento inteligente de los robots también requieren una mayor optimización para la gestión de la seguridad, permitiendo un control adaptativo y fluido mediante cálculos dinámicos y modelado basado en observadores.
En un estudio reciente, la Federación Internacional de Robótica (IFR) destacó que el desarrollo futuro de la robótica mostrará principalmente tendencias hacia la simplicidad, la facilidad de uso, la flexibilidad y la colaboración segura. Los robots industriales alcanzarán progresivamente mayores niveles de automatización e inteligencia; su diseño intuitivo reducirá las barreras operativas, permitiendo que más empresas aprovechen sin esfuerzo la tecnología robótica para mejorar la eficiencia de la producción. Asimismo, los diseños que incorporan flexibilidad y capacidades de colaboración segura permitirán que los robots se adapten mejor a entornos de producción diversos y complejos, facilitando la colaboración entre humanos y robots e impulsando aún más el desarrollo inteligente y eficiente de la producción industrial.
Figura 2: Área de trabajo del robot colaborativo
1.2 Importancia de la investigación
En el mercado actual de robótica colaborativa, los robots de siete grados de libertad son los preferidos por su amplio rango operativo y flexibilidad. Estos robots proporcionan grados de libertad redundantes, ofreciendo un mayor potencial para la automatización industrial y la fabricación inteligente. Cada grado de libertad se logra mediante una articulación robótica, que constituye un factor crítico para determinar el rendimiento del robot. Los cuatro principales fabricantes —FANUC, ABB, Yaskawa y KUKA— emplean sistemas de transmisión distintos en sus brazos robóticos industriales tradicionales; sin embargo, básicamente utilizan servomotores acoplados a engranajes cónicos, engranajes rectos o correas síncronas para transmitir potencia a las articulaciones y permitir su rotación. Estos métodos de transmisión limitan el tamaño de las articulaciones robóticas. Si bien es posible lograr una alta precisión, la miniaturización sigue siendo un desafío. Como se muestra en la Figura 3, los robots industriales tradicionales requieren armarios de control externos que albergan servomotores, con numerosos cables que conectan cada motor al armario, lo que restringe la flexibilidad de los sistemas de control.
Figura 3. Robot industrial tradicional y armario de control.
Dado que las configuraciones articulares tradicionales de los brazos robóticos industriales ya no satisfacen las necesidades de los robots colaborativos, estas articulaciones han abandonado los mecanismos de transmisión convencionales en favor de una nueva filosofía de diseño. Este enfoque se centra en lograr sistemas ligeros, de bajo voltaje y altamente integrados, mediante la integración del controlador, el servocontrolador y el motor dentro de la propia articulación, con conexiones eléctricas subyacentes también implementadas internamente. Solo se expone externamente un número mínimo de interfaces de control, lo que simplifica el cableado externo y reduce la complejidad de la ingeniería. Este diseño se denomina articulación integrada.
Dadas las necesidades y tendencias actuales en el desarrollo de articulaciones para robots colaborativos, el diseño de una articulación integrada, ligera, de bajo voltaje, altamente integrada y de alto rendimiento resulta crucial. Esta articulación integrada incorpora todos los componentes esenciales para el movimiento —incluidos actuadores, controladores, motores y sensores— y puede funcionar de forma independiente como un módulo autónomo. Al conectarse al controlador principal u otros módulos mediante buses de alimentación y control sencillos, este diseño altamente cohesivo y de bajo acoplamiento mejora significativamente la escalabilidad de los robots colaborativos. Mediante el uso de esta articulación modular integrada y su combinación con brazos robóticos y efectores finales del tamaño adecuado, se pueden ensamblar fácilmente robots colaborativos adaptados a diversos requisitos.
Figura 4 Diagrama esquemático de la unión modular
La investigación sobre articulaciones integradas para robots colaborativos y sus sistemas de servocontrol es fundamental para el avance de la robótica colaborativa. Las tecnologías centrales de estas articulaciones integradas constan de dos componentes clave: reductores armónicos y sistemas de control de accionamiento del motor de la articulación, junto con sus algoritmos de control correspondientes. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. centra su investigación en sistemas de control de accionamiento del motor de la articulación para robots colaborativos, realizando estudios exhaustivos sobre los mecanismos de control y accionamiento del motor de la articulación. La empresa está desarrollando una serie de productos de motor de articulación para robots integrados de alta inteligencia que permiten capacidades de control más flexibles y fiables para las articulaciones de robots colaborativos, incorporando características críticas como la autopercepción, la toma de decisiones inteligente, la ejecución diestra y el control preciso, satisfaciendo así las demandas del desarrollo de equipos inteligentes.
2. Estado actual de la investigación a nivel nacional e internacional.
En 1956, el físico estadounidense Joe Engelberger y el inventor George Devol fundaron una empresa de robótica llamada Unimation, que desarrolló con éxito el primer robot industrial del mundo, el Unimate, en 1959.
General Motors implementó por primera vez robots en la producción industrial en su planta de Nueva Jersey en 1961. En 1969, Japón introdujo robots de Unimation, y posteriormente otorgó licencias de su tecnología a Kawasaki Heavy Industries y a la corporación británica KUKAI para la fabricación de robots en Japón y el Reino Unido, respectivamente. Con el avance de la industria automotriz japonesa, un número creciente de robots ha reemplazado la mano de obra humana en la producción, demostrando plenamente su valor práctico. En consecuencia, Japón ha puesto un énfasis cada vez mayor en el desarrollo de la robótica industrial. Desde Kawasaki Heavy Industries como pionera en la adopción de tecnología robótica, seguida por el surgimiento de empresas de robótica de renombre mundial como FANUC y Yaskawa, Japón se ha convertido en una de las naciones que dominan las tecnologías robóticas de vanguardia a nivel mundial.
En 1973, la empresa alemana KUKA modificó el robot Unimate para crear el Famulus, el primer robot con seis grados de libertad, impulsado por un motor eléctrico. En 1974, ASEA (predecesora de ABB), una empresa sueca de electricidad, desarrolló el primer robot totalmente eléctrico del mundo, el IRB 6, controlado por un microprocesador, lo que mejoró significativamente la inteligencia robótica. En 1978, la empresa estadounidense Unimation desplegó ampliamente su robot industrial PUMA en las líneas de montaje de General Motors, demostrando aún más la practicidad y el valor de los robots industriales y marcando la plena madurez de la tecnología de robótica industrial, sentando así una base sólida para los avances tecnológicos posteriores.
Durante las más de cuatro décadas de desarrollo de la robótica industrial, los avances tecnológicos han sido constantes. Sin embargo, por motivos de seguridad, los robots suelen estar fijos en estaciones de trabajo específicas y aislados por barandillas, lo que les impide trabajar codo con codo con los humanos en el mismo espacio. Esta configuración tradicional limita la colaboración humano-robot, dificultando la consecución de operaciones cooperativas verdaderamente eficientes. A pesar de los numerosos intentos y exploraciones, lograr una colaboración segura entre humanos y robots sigue siendo un reto importante en el campo de la robótica industrial.
No fue hasta 2005 cuando un importante proyecto financiado por la UE introdujo el concepto de robots colaborativos. Esta iniciativa reunió a empresas líderes en robótica industrial como ABB, KUKA, Reis, Comau y Gudel para desarrollar conjuntamente un robot asequible, compacto y flexible, diseñado específicamente para pequeñas y medianas empresas, con el objetivo de reducir la dependencia de la subcontratación de mano de obra. Este proyecto puso de manifiesto el potencial de la colaboración humano-robot, sentando así las bases para el concepto de robots colaborativos.
Los primeros robots colaborativos eran principalmente modificaciones y aplicaciones de robots industriales tradicionales, sin alterar fundamentalmente su filosofía de diseño ni sus modos de funcionamiento. Desde su fundación en 2005, Universal Robots se ha dedicado al desarrollo de robots colaborativos capaces de trabajar de forma segura junto a operarios humanos. En 2009, la compañía lanzó el UR5, el primer robot colaborativo del mundo, marcando el inicio de esta era. Posteriormente, Rethink presentó el robot de doble brazo Baxter y el nuevo robot de un solo brazo Sawyer, consolidando gradualmente la robótica colaborativa como una disciplina reconocida y aceptada dentro de la robótica industrial. Este avance ha aportado nuevas perspectivas y directrices para la automatización industrial y el desarrollo inteligente del futuro.
Figura 5: Robot UR5 y robot Sawyer Baxter
La empresa Siasun Robot Company, afiliada al Instituto de Automatización de Shenyang de la Academia China de Ciencias, presentó por primera vez un robot colaborativo flexible de siete ejes que representaba el avanzado nivel tecnológico de China en la Exposición Industrial de noviembre de 2015. Desde entonces, numerosos modelos de robots colaborativos nacionales, como Luoshi y Aobo, han ido ganando reconocimiento gradualmente.
En lo que respecta a las articulaciones robóticas, la principal diferencia entre las articulaciones de los robots colaborativos y las de los robots industriales pesados tradicionales radica en su flexibilidad. Esta flexibilidad se manifiesta a través de una menor rigidez mecánica, una inercia reducida y la capacidad de detectar el par motor. Actualmente, la flexibilidad de las articulaciones empleada en los brazos robóticos colaborativos se debe principalmente al control preciso de la posición y del par motor.
Figura 6 Estructura típica de la articulación integrada en robots colaborativos
Un análisis de la investigación actual revela que el desarrollo de la robótica en China comenzó más tarde que en países como Estados Unidos y Japón. La investigación sobre robots colaborativos aún se encuentra significativamente rezagada con respecto a los productos internacionales existentes, con cuellos de botella clave en los reductores armónicos y los sistemas de control de accionamiento de motores de las articulaciones. Los robots colaborativos nacionales tienen actualmente un amplio margen de mejora en las capacidades de control de las articulaciones, particularmente en términos de precisión y control inteligente. Además, las tendencias globales en la investigación robótica indican que la seguridad, la flexibilidad y la inteligencia son características dominantes del avance tecnológico. Las articulaciones de los robots están evolucionando hacia sistemas de control de accionamiento altamente integrados y una mayor inteligencia. Si bien las articulaciones de los robots colaborativos han pasado del control centralizado tradicional a arquitecturas de control de accionamiento distribuidas, actualmente solo ejecutan acciones motorizadas, careciendo de capacidades de percepción autónoma, toma de decisiones inteligente y ejecución diestra, lo que resulta en niveles de inteligencia relativamente bajos. Aún existe un potencial significativo para la creciente demanda de sistemas robóticos inteligentes.
Fecha de publicación: 22 de mayo de 2026
