Actuadores articulados: el componente fundamental para la potencia y la destreza de los robots humanoides

Aunque existen varias barreras que limitarán el crecimiento del mercado de los robots humanoides a corto y medio plazo (véanse las últimas conclusiones y previsiones de mercado para los humanoides en este informe publicado: Robots humanoides: gran oportunidad, pero adopción limitada a corto y medio plazo), el número de articulaciones de cada robot sigue representando una gran oportunidad para los proveedores de componentes, como se destaca en el gráfico siguiente.

Entre los numerosos componentes de los robots humanoides, los actuadores de articulaciones desempeñan sin duda un papel crucial, especialmente en varias áreas clave:

En primer lugar, la gran cantidad de actuadores de articulaciones que se necesitan para los robots humanoides da lugar a una elevada proporción del coste de la lista de materiales (BOM). Un robot humanoide de tamaño real suele tener docenas de grados de libertad, y cada grado de libertad requiere un actuador de articulación. Por ejemplo, el robot humanoide Optimus de Tesla tiene más de 28 actuadores rotativos y lineales, mientras que su mano diestra puede contener incluso más actuadores en miniatura. Esta enorme demanda por máquina hace que los actuadores de articulación sean un componente importante de la estructura de costes de hardware de los robots humanoides. Según nuestro reciente informe de investigación Robots humanoides: 2025, los actuadores de articulaciones suelen representar más del 30% del coste total de la lista de materiales de un robot humanoide de alta configuración (incluidas manos diestras de cinco dedos, chips de alta computación y sensores de gama alta). La proporción puede superar el 50% en algunas versiones básicas sin manos diestras ni sensores de gama alta. Esto significa que el coste y la capacidad de suministro de los actuadores de articulaciones afectan directamente a la rentabilidad y la viabilidad de la ampliación de los robots humanoides.

En segundo lugar, las articulaciones son componentes fundamentales de la locomoción robótica, estrechamente relacionados con la estabilidad y la seguridad de los robots durante su funcionamiento. El rendimiento de los actuadores de articulaciones determina directamente la suavidad del movimiento, el control de precisión y la capacidad de respuesta dinámica de los robots. Las articulaciones de alto rendimiento son condiciones previas para evitar vibraciones, inestabilidad o incluso caídas. La fiabilidad y la seguridad de las articulaciones son cruciales, ya que el fallo de una sola articulación podría provocar daños funcionales generales o incluso incidentes de seguridad.

Al mismo tiempo, las diferentes posiciones de las articulaciones tienen requisitos variables en cuanto a tamaño y rendimiento. Las diferentes articulaciones de los robots humanoides (como hombros, codos, muñecas, caderas, rodillas, tobillos, etc.) tienen requisitos diferentes en cuanto a rango de movimiento, capacidad de carga, precisión, velocidad de respuesta y mucho más. Por ejemplo, las articulaciones de las piernas, responsables de soportar el peso corporal y los movimientos de gran amplitud, deben generar un mayor par y tener una mayor rigidez, mientras que las articulaciones de los brazos y las muñecas, responsables de las operaciones de precisión, tienen mayores requisitos de diseño ligero, compacidad y precisión de posicionamiento. Esta demanda diferenciada hace que el diseño y la selección de los actuadores de las articulaciones sea extremadamente difícil. Se requiere un desarrollo personalizado o en serie para las diferentes posiciones, lo que se traduce en altos costes de investigación y fabricación en ausencia de una demanda a gran escala.

Aunque existen similitudes estructurales entre las articulaciones de los robots humanoides y las de los robots colaborativos, siguen existiendo muchos requisitos diferenciados que plantean mayores exigencias de rendimiento.

Entre ellos, la ligereza y la miniaturización son objetivos primordiales y, por ello, se prefieren los actuadores de alta densidad de par. Las articulaciones ligeras ayudan a reducir el peso del sistema, mejoran la flexibilidad y reducen el consumo de energía de las articulaciones, lo que mejora la duración de la batería. Los requisitos antropomórficos derivados de la alta adaptabilidad al mundo humano significan que las articulaciones de los robots humanoides deben tener dimensiones similares a las de los seres humanos. Por ejemplo, se espera que los robots humanoides se adapten perfectamente al espacio diseñado para un ser humano y sean capaces de utilizar herramientas diseñadas para ellos. Por lo tanto, las articulaciones de los robots humanoides requieren diseños muy compactos que integren estrechamente los componentes relevantes, como motores, cajas de engranajes, accionamientos, codificadores e incluso sensores, en un solo módulo.

El bajo consumo de energía y el bajo aumento de temperatura son fundamentales, especialmente para los robots humanoides con numerosas articulaciones pero con un espacio limitado para las baterías. La utilización de la energía y la capacidad de disipación del calor de las articulaciones afectan directamente a su resistencia y rendimiento general. Además, los robots humanoides deben ser capaces de reaccionar en tiempo real en entornos complejos y cambiantes, lo que aumenta los requisitos de control dinámico y adaptabilidad de las articulaciones. Esto plantea mayores retos para el par máximo de las articulaciones y los algoritmos de control.

Debido a estos requisitos técnicos diferenciados, en las primeras etapas de desarrollo existía una relativa escasez de productos de articulaciones estandarizados y de bajo coste que se adaptaran completamente a los robots humanoides del mercado. En su lugar, muchos proveedores de robots humanoides optaron por invertir en el diseño e incluso en la fabricación de actuadores de articulaciones para satisfacer las necesidades específicas de sus productos.

Sin embargo, con el auge de la industria de los robots humanoides, en los últimos 12 meses cada vez más fabricantes de componentes para robots han comenzado a crear activamente productos integrados para articulaciones de alto rendimiento y rentables. Estas empresas se esfuerzan por aprovechar las oportunidades y convertirse en proveedores principales de primer nivel en la cadena de suministro de la industria de los robots humanoides. Muchos proveedores especializados en control de movimiento y tecnología de accionamiento, como Kollmorgen, Archimedes Drive y TQ-System, han lanzado sus soluciones de accionamiento para humanoides. En China, hay docenas de proveedores de componentes que han introducido productos de articulación integrados y listos para usar para humanoides, entre los que se incluyen empresas como TC Drive, Realman y Kinco. Se espera que esta tendencia alivie las limitaciones de capacidad y el alto coste de los módulos de articulación en los próximos años, acelerando el desarrollo de la industria.

Actualmente, la tecnología de hardware para robots humanoides sigue en fase de iteración, con la aparición de una amplia variedad de soluciones innovadoras. Una de las razones es que el mercado descendente y los escenarios de aplicación de los robots humanoides se encuentran todavía en una fase inicial de prueba de concepto (POC). A diferencia del mercado tradicional de los robots industriales, en el que se han desarrollado aplicaciones maduras, los robots humanoides tienen un enorme potencial como plataforma de automatización de uso general. Sin embargo, aún es necesario seguir investigando y validando para determinar en qué escenarios específicos podrán crear un valor productivo significativo de forma autónoma y lograr un despliegue eficiente, fiable y a gran escala.

Esta situación ha creado cierta incertidumbre en la selección de las tecnologías de hardware. En el diseño conjunto, aunque la mayoría de los fabricantes han llegado a un consenso sobre el uso de módulos armónicos para las articulaciones de las extremidades superiores, todavía existen diferentes soluciones técnicas en el mercado. Entre ellas se incluyen los actuadores cicloidales o las soluciones de accionamiento cuasi directo con relaciones de transmisión extremadamente bajas. Para las articulaciones de las extremidades inferiores, los actuadores rotativos armónicos, planetarios y RV, así como los actuadores lineales basados en tornillos, cuentan con fabricantes que se posicionan para liderar el mercado. En cuanto a la percepción, aunque parece haber consenso en torno a la fusión multisensor, aún está por determinar qué combinaciones específicas de sensores adoptar y cómo optimizar los algoritmos de fusión para adaptarse a diferentes entornos y tareas.

La diversidad y la rápida iteración de las rutas tecnológicas del hardware reflejan, por un lado, la vitalidad innovadora de la industria y, por otro, la necesidad de que las empresas de la cadena de suministro, tanto upstream como downstream, se preparen para múltiples posibilidades e inviertan más recursos en I+D y en la validación en el mundo real. La tecnología que acabará imponiéndose dependerá en gran medida de los escenarios específicos que se puedan desbloquear y escalar con éxito en el futuro: Si los robots humanoides logran avances en el sector de consumo primero, los requisitos de seguridad, bajo nivel de ruido, bajo coste y facilidad de interacción entre humanos y máquinas serán más exigentes. Sin embargo, si se aplican ampliamente en el sector industrial, es posible que se valore más la capacidad de carga, la eficiencia operativa y la precisión, así como la fiabilidad a largo plazo. Por lo tanto, el hardware aún necesita más casos de implementación comercial para su validación e iteración a fin de alcanzar un consenso técnico y establecer estándares industriales. Esto será crucial para el crecimiento de la adopción a gran escala de la tecnología humanoide.