Ensayo de robots humanoides y sus componentes

• Los robots humanoides integran requisitos de ensayo de las áreas de robótica, automoción, electrónica, tecnología de baterías, construcción ligera, biomecánica/ortopedia y ensayos de materiales.
• Los requisitos de ensayo críticos se derivan del desgaste, los cambios de carga, las caídas e impactos, las vibraciones, las influencias ambientales y los contactos relevantes para la seguridad entre personas y robots.
• Entre las principales áreas de ensayo se encuentran los actuadores, las articulaciones, la transmisión de fuerza, los componentes estructurales, los efectores finales, los sensores y los sistemas de datos y energía.
• Los ensayos de vida útil, fatiga, materiales, funcionales y de seguridad permiten detectar posibles mecanismos de fallo en una fase temprana.
• Actualmente se están desarrollando nuevas normas para la robótica humanoide. Al mismo tiempo, las normas existentes sobre robótica y seguridad de las máquinas ofrecen importantes pautas de orientación.
• ZwickRoell ofrece asistencia para realizar ensayos a lo largo de todo el ciclo de vida del producto: desde la investigación y el desarrollo hasta la validación y la garantía de calidad en la producción.

Los sistemas robóticos humanoides deben moverse con seguridad, funcionar de forma fiable y funcionar de manera reproducible durante largos periodos de tiempo. A su vez, están expuestos a elevadas cargas mecánicas, térmicas y ambientales. Los ensayos proporcionan la base necesaria para demostrar el comportamiento de los materiales, la fiabilidad de los componentes y el cumplimiento de los requisitos de seguridad en condiciones de uso realistas.

Principales retos:

• Seguridad en el entorno persona-robot: Los robots humanoides se utilizan cada vez más en los entornos donde trabajan, residen y se cuidan personas. Por ello, el control de las fuerzas, los movimientos y los posibles escenarios de fallo cobran gran importancia.
• Fiabilidad durante largos periodos de funcionamiento: Las articulaciones, los engranajes, los sensores y los actuadores deben funcionar de forma duradera y conservar sus propiedades incluso después de millones de cambios de carga.
• Vida útil y fatiga: Caminar, transportar, agarrar y mantener el equilibrio suponen cargas cíclicas continuas que pueden provocar fatiga y desgaste de los materiales.
• Caídas e impactos: A diferencia de los sistemas estacionarios, los robots humanoides están expuestos al riesgo de caídas. Los componentes estructurales y las uniones deben ser capaces de soportar las cargas correspondientes.
• Influencias ambientales y de temperatura: Los cambios de temperatura debidos a las condiciones ambientales y el calentamiento de actuadores y componentes electrónicos durante el funcionamiento afectan a los materiales, la electrónica y los conjuntos mecánicos. A ello se suman la humedad, el polvo, los medios corrosivos o la radiación, que pueden afectar adicionalmente al funcionamiento, la vida útil y la fiabilidad.
• Normas inexistentes o en fase de desarrollo: La normalización de la robótica humanoide se encuentra actualmente en fase de desarrollo. Los fabricantes ya deben aportar pruebas fiables de seguridad y durabilidad.

ZwickRoell ofrece soluciones para el desarrollo y la validación de actuadores y componentes de transmisión de fuerza mediante ensayos de materiales, desgaste, fatiga y vida útil. De este modo, es posible evaluar las cargas críticas en una fase temprana y obtener resultados fiables para el desarrollo, la validación y las posteriores aplicaciones en serie:

• Ensayos de temperatura y ambientales para evaluar componentes sometidos a cargas térmicas y materiales con diferentes coeficientes de dilatación.
• Ensayos de cables y elementos de transmisión de fuerza para evaluar la fuerza máxima, la abrasión y el desgaste.
• Ensayos de rodamientos, articulaciones y engranajes para analizar el desgaste, la vida útil y el comportamiento bajo carga cíclica.
• Conceptos de ensayo biomecánico como base para sistemas robóticos humanoides
• Ensayos de actuadores, desde accionamientos de alta precisión en manos y efectores finales hasta articulaciones de cadera y rodilla sometidas a cargas elevadas, con especial atención a la durabilidad y la vida útil.
• Ensayos de muelles para evaluar el comportamiento fuerza-recorrido y la resistencia a la fatiga.
• Ensayos de materiales utilizados en componentes estructurales y de accionamiento sometidos a cargas elevadas:
  • Aleaciones de aluminio para la estructura portante y el torso
  • Aleaciones de titanio para componentes sometidos a elevados cambios de carga, por ejemplo, bloques de cadera o ejes de articulación
  • Acero inoxidable para ejes, pernos y componentes sometidos a desgaste
  • PEEK y CFRP para elementos estructurales y de soporte ligeros y rígidos
  • Sistemas de protección de superficies y contra el desgaste, como capas deslizantes de PTFE, lubricantes sólidos y recubrimientos DLC para minimizar la fricción y el desgaste en pares de contacto móviles.
  • Aleaciones con memoria de forma para futuros conceptos de actuadores

ZwickRoell ofrece soluciones para el desarrollo y la validación de carcasas y componentes estructurales mediante ensayos de materiales, recubrimientos, construcción ligera, choque y funcionales. Los ensayos permiten demostrar la capacidad de carga de los componentes estructurales, las superficies y los materiales de protección en condiciones de uso realistas:

• Ensayo de recubrimientos y superficies para evaluar la adherencia y la resistencia, por ejemplo, mediante ensayos de pelado a 90°/180° o ensayos en dirección Z.
• Ensayo de revestimientos exteriores textiles y materiales de protección para determinar su comportamiento frente a la abrasión, resistencia y alargamiento. Esto incluye tanto revestimientos textiles como materiales funcionales para entornos de uso específicos.
• Ensayo de componentes estructurales de materiales compuestos de fibra para evaluar conceptos de construcción ligera bajo carga mecánica.
• Caracterización de plásticos como materia prima para componentes y superficies mediante ensayos del índice de fluidez
• Caracterización de materiales metálicos para componentes estructurales y carcasas, por ejemplo, en cuanto a resistencia, comportamiento de deformación o propiedades de procesamiento.
• Ensayos de choque e impacto para simular caídas o colisiones y analizar posibles mecanismos de fallo.
• Ensayo de materiales soft skin, como silicona o TPU, para aplicaciones con interacción directa entre personas y robots.

ZwickRoell ofrece soluciones para el desarrollo y la validación de manos y efectores finales mediante ensayos de fuerza, funcionales y de vida útil. De este modo, es posible evaluar de forma reproducible las funciones de agarre e identificar cargas críticas ya durante el desarrollo:

• Mediciones de la fuerza de agarre para evaluar la manipulación segura y la transmisión de fuerza al agarrar diferentes objetos.
• Mediciones de la fuerza de los dedos para analizar movimientos individuales de agarre y manipulación, así como la capacidad de carga de actuadores de pequeño tamaño.
• Ensayos funcionales y de vida útil en manos y efectores finales para evaluar el desgaste, la repetibilidad y la resistencia a la fatiga bajo carga cíclica. Estos ensayos son especialmente relevantes para aplicaciones en las que se realizan procesos repetitivos de agarre y manipulación durante largos periodos.

• Ensayos de baterías para evaluar las propiedades de los materiales, la capacidad de carga mecánica y la fiabilidad de los sistemas de baterías.
• Ensayo de cables eléctricos y de fibra óptica para determinar la fuerza máxima y el comportamiento bajo cargas de flexión y torsión.
• Ensayo de conectores para determinar las fuerzas de retención y extracción.
• Ensayo de conjuntos electrónicos (PCB) para evaluar las cargas de flexión, el comportamiento de pelado y las uniones adhesivas.

El desarrollo de la robótica humanoide avanza actualmente más rápido que la normalización. Por ello, muchos fabricantes ya toman como referencia las normas y reglamentos existentes en materia de robótica y seguridad de las máquinas. Al mismo tiempo, se está desarrollando ISO 25875 como norma de seguridad específica para sistemas robóticos humanoides.

Entre las principales referencias se encuentran:

• ISO 13482 para robots de servicio en contacto directo con personas
• ISO 10218 para sistemas robóticos industriales
• ISO 12100 para la evaluación y reducción de riesgos
• IEC 62061 para la seguridad funcional de sistemas de control relacionados con la seguridad
• ANSI RIA R15.08 para sistemas robóticos móviles
• ISO/CD 25785-1 para robots móviles dinámicamente estables (en desarrollo)

Todas estas normas y reglamentos se centran en la resistencia a la fatiga, el comportamiento frente al desgaste, la resistencia de los materiales, la resistencia a las condiciones ambientales y la demostración de un funcionamiento seguro durante todo el ciclo de vida. Por ello, los ensayos de materiales, los ensayos funcionales y los ensayos de vida útil adquieren importancia ya desde las primeras fases de desarrollo.