Si está trabajando en la próxima generación de robots humanoides, probablemente ya sepa una cosa: todo se reduce a la precisión con la que esas articulaciones pueden saber realmente dónde están.
Los motores pueden ser muy potentes y los algoritmos muy sofisticados, pero si la información sobre la posición de una articulación del codo o de la cadera se desvía incluso 0,05 grados... el robot parecerá tembloroso, vacilante o simplemente extraño.
Ahí es donde realmente brillan los sensores codificadores ópticos.
Hoy voy a explicarte por qué los codificadores ópticos se han convertido en la mejor opción para los equipos de desarrollo de humanoides serios que necesitan un control robótico del motor y una detección de posición sólidos como una roca, lo que realmente importa a la hora de elegir uno y algunas cosas prácticas que hemos visto funcionar (y no funcionar) en proyectos reales.
Por qué los robots humanoides son tan quisquillosos con la información de posición
Los humanoides no son como brazos industriales que repiten el mismo movimiento mil veces al día en un entorno limpio y agradable.
Lo necesitan:
- Caminar por terrenos irregulares sin caerse
- Agarrar objetos blandos sin aplastarlos
- Hacer gestos significativos con las manos durante la conversación
- Equilibrio al transportar diferentes cargas útiles
- Cambie entre caminar, ponerse en cuclillas, subir escaleras, etc.
Todos ellos requieren una precisión de la posición de la junta que suele estar en el rango de 0.01°~0.05° (en función del tamaño de la junta y la relación de reducción), y un ruido de posición muy bajo.
La mayoría de los equipos descubren rápidamente que los codificadores magnéticos (incluso los buenos de 14-16 bits) empiezan a mostrar una fluctuación y una deriva de temperatura notables cuando se exige ese nivel de resolución en una junta compacta de accionamiento armónico.
Los sensores codificadores ópticos resuelven muchos de estos quebraderos de cabeza porque leen patrones utilizando luz en lugar de campos magnéticos.
Fotodiodo Si PIN Serie PDCP08 PDCPO8-502
Detección de precisión: El PDCP08-502 es un fotodiodo PIN de silicio compacto diseñado con un área de detección específica de 2,9×2,8 mm.
Fiabilidad: Con una baja capacitancia de unión, este fotodiodo PIN garantiza tiempos de respuesta rápidos. Es el componente perfecto para aplicaciones fotoeléctricas con limitaciones de espacio que requieren una salida de señal estable.
Cómo funcionan realmente los codificadores ópticos (la versión sencilla)
Se trata de un disco de código (de cristal o, a veces, de plástico de alta calidad) con patrones grabados o impresos muy precisos, que suelen alternar líneas transparentes y opacas.
Un LED hace brillar la luz a través del disco (o se refleja en él), y en el otro lado (o en el mismo lado para los tipos reflectantes) hay una matriz de fotodetectores que recogen el patrón de luz/oscuridad.
Las modernas de gama alta utilizan electrónica de interpolación para exprimir mucha más resolución a partir del recuento básico de líneas.
Los codificadores ópticos incrementales más comunes hoy en día empiezan con 5000-20000 líneas físicas, luego con ×4 cuadratura + interpolación se obtiene fácilmente 19-22 bits resolución efectiva.
En el caso de los codificadores ópticos absolutos es un poco diferente: suelen tener varias pistas concéntricas (código gris + pista fina) o utilizar complicados códigos pseudoaleatorios.
Óptico frente a magnético frente a capacitivo: tabla comparativa rápida
| Característica | Codificador óptico | Codificador magnético | Codificador capacitivo |
|---|---|---|---|
| Resolución típica (bits) | 19-24 bits | 12-18 bits | 16-20 bits |
| Ruido de posición / fluctuaciones | Muy bajo | Medio-Alto | Bajo-Medio |
| Desviación de la temperatura | Excelente (±5 ppm/°C común) | Notable (50-150 ppm/°C) | Bien |
| Sensibilidad al campo magnético externo | Ninguno | Muy alta | Bajo |
| Sensibilidad al polvo/aceite | Media-alta (necesita sellado) | Muy bajo | Medio |
| Tamaño para la misma resolución | Más grande | Más pequeño | Medio |
| Coste de una resolución de más de 20 bits | $$$ | $ | $$ |
| Lo mejor para la articulación humanoide | Juntas de alta densidad de torsión | Entorno sucio y sensible a los costes | Aplicaciones de gama media |
Por lo que hemos visto en proyectos de humanoides reales, una vez que se superan los ~18,5 bits efectivos y se necesita un rendimiento constante entre -10 °C y +60 °C, suele ganar la óptica.
Conjunto de fotodiodos PIN de Si de cuatro cuadrantes PD PDCA04-102
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Especificaciones clave que deben importarle para las articulaciones humanoides
Estas son las cosas que muerden a los equipos con más frecuencia:
- Bits efectivos tras interpolación y ruido
No se fije sólo en el marketing de “24 bits”. Fíjate en el ruido RMS en segundos de arco o en la especificación real de repetibilidad de posición. - Método de interpolación de señales
La interpolación seno/coseno analógica suele superar a la subdivisión digital en cuanto a bajo jitter. - Histéresis
Algunos codificadores ópticos muestran una histéresis de 1 a 3 segundos de arco debido al juego de los rodamientos o a la excentricidad del disco. Los buenos la mantienen por debajo de 0,8 segundos de arco. - Tolerancia de excentricidad axial/radial
Las articulaciones de los humanoides se mueven mucho. Los codificadores baratos fallan rápidamente cuando el eje se tambalea 0,02 mm. - Máxima velocidad frente a resolución
Muchos codificadores ópticos de 22 bits bajan a 19-20 bits efectivos a >3000 rpm. Su relación de transmisión armónica es probablemente 80-120:1, por lo que la velocidad del motor puede ser alta durante los movimientos rápidos. - Absoluto vs Incremental + batería de reserva
En el caso de los humanoides que necesitan ciclos de alimentación frecuentes, cada vez se prefiere más la energía absoluta.
Ejemplos reales que han funcionado bien
No puedo compartir los nombres de los clientes, pero he aquí algunos patrones anónimos que siguen apareciendo:
- Plataforma de investigación bípeda de tamaño normal (160-185 cm)
Se utilizaron codificadores ópticos absolutos de 22 bits en las 12 articulaciones de piernas y brazos. Resultado: el tiempo de ajuste de la marcha se redujo de 9 a 3,5 meses gracias a la limpieza de los datos de posición. - Humanoide de servicio de tamaño medio (120 cm) para despliegue en hoteles
Probé el magnético de gama alta → cambié al óptico en hombro y codo después de que los invitados se quejaran de “apretones de manos temblorosos”. El problema básicamente desapareció. - Mano humanoide con 20+ DoF
En las articulaciones de los dedos se utilizaron codificadores ópticos incrementales en miniatura de 19 bits con discos de código de vidrio personalizados de Ø11 mm. La fusión táctil + posición se hizo mucho más fiable.
Puntos débiles comunes y cómo los buenos codificadores ópticos los solucionan
- Cambios de temperatura durante un funcionamiento prolongado
Los buenos codificadores ópticos cambian menos de 5 arc-seg a 50°C delta. Muchos magnéticos varían entre 30 y 80 segundos de arco. - IEM de servoaccionamientos de alta corriente
La óptica es completamente inmune (no hay captación magnética). - Pérdida de recuento inducida por vibraciones
Los diseños modernos de LED + fotodetectores con señales diferenciales soportan las vibraciones mucho mejor que hace 10 años. - Cables largos
La salida diferencial RS-422 puede recorrer más de 20 metros sin pérdida de calidad.
Elegir el codificador óptico adecuado para su proyecto
Si te tomas en serio las articulaciones humanoides de precisión, aquí tienes un árbol de decisiones aproximado por el que solemos pasar:
- Necesita posición absoluta después de pérdida de potencia → ir óptica absoluta
- El presupuesto es muy ajustado y el entorno es limpio → quizás magnético de gama alta
- Desea una señal de posición lo más limpia posible y puede permitirse el tamaño/precio → incremental óptico o absoluto
- Diámetro de la junta < Ø18 mm → la microóptica especial resulta muy cara, busque soluciones a medida.
En Bee Photon nos centramos exactamente en esa última categoría: sensores codificadores ópticos de alta precisión lo suficientemente pequeños y limpios para la última generación de articulaciones humanoides de par denso.
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PREGUNTAS FRECUENTES
P1: ¿Merecen realmente la pena los sensores codificadores ópticos en comparación con los magnéticos?
Para la mayoría de los humanoides de gama media, quizá no. Pero cuando se busca una precisión inferior a 0,03° en las articulaciones de hombro, codo y cadera con accionamientos armónicos, la diferencia en el tiempo de ajuste y la calidad del movimiento final suele ser muy notable. Muchos equipos que primero dijeron “demasiado caro” volvieron después de 6-12 meses de frustración.
P2: ¿Cómo de pequeño puede llegar a ser un codificador óptico de alta resolución para las articulaciones de los dedos?
En la actualidad, el punto óptimo para una óptica fiable de más de 19 bits se sitúa en torno a los Ø13-18 mm. Si es menor, se sacrifica la resolución, la calidad de la señal o la fiabilidad a largo plazo. No obstante, tenemos algunos prototipos de Ø11 mm funcionando en laboratorio.
P3: ¿Necesito encóderes absolutos o basta con incrementales + homing?
Depende del caso de uso. Si el robot puede realizar una rutina de búsqueda cada vez que se enciende (como muchas plataformas de investigación), la incremental está bien y suele ser más barata. Si quieres que esté listo al instante tras encenderlo (robots de servicio al cliente), el modo absoluto ahorra muchos quebraderos de cabeza.
