Autor: Julien Ghaye, PhD, Product Line Manager de Robótica en Melexis
A medida que la industria robótica avanza hacia funciones cada vez más sofisticadas, especialmente en aplicaciones de servicio y humanoides, la necesidad de máquinas que interactúen con su entorno de forma casi tan natural como los seres humanos, nunca ha sido mayor. Si bien los sistemas de control inteligentes sientan las bases para la autonomía y la toma de decisiones precisas, son los innovadores sistemas de retroalimentación sensorial los que completan el panorama. Estos dos aspectos garantizan que los robots modernos puedan comprender señales ambientales sutiles, adaptarse con fluidez a circunstancias imprevistas y realizar tareas delicadas que antes solo podían realizar los seres humanos.
Las últimas investigaciones de la Federación Internacional de Robótica (IFR-International Federation of Robotics) subrayan el rápido crecimiento del sector y las crecientes expectativas. Por ejemplo, los cobots representan ahora el 10,5 % de todas las nuevas instalaciones de robots industriales, con más de 56.000 unidades desplegadas en 2023, lo que supone un aumento significativo con respecto a las 14.100 instalaciones de cobots en 2018. Del mismo modo, los robots de servicio siguen penetrando en aplicaciones domésticas, sanitarias y educativas, y se prevé que el mercado supere los 40.000 millones de dólares estadounidenses a finales de 2025.
Estas tendencias no solo ponen de relieve la creciente demanda de robótica avanzada, sino que también resaltan la necesidad apremiante de una detección absoluta. En este contexto, la integración de tecnologías de sensores innovadoras, capaces de mejorar la percepción interna y ambiental al tiempo que impulsan la escalabilidad del diseño, es vital para que los robots puedan funcionar en situaciones complejas del mundo real, igualando la sutileza y los matices del comportamiento humano.
Melexis, con una larga trayectoria de innovación en sensores semiconductores para automoción e industria, está aplicando ahora su experiencia a la robótica. En este artículo, exploraremos los retos que plantea imitar la interacción humana, examinando los nuevos sensores táctiles Tactaxis® de Melexis, así como su amplia gama de productos de detección, diseñados para ayudar a los ingenieros a hacer realidad la próxima generación de robótica.
Retos para lograr una interacción similar a la humana
Diseñar robots que interactúen con los seres humanos de forma natural y segura plantea una serie de retos complejos. Lograr una interacción similar a la humana no es solo cuestión de implementar modelos de inteligencia artificial (IA) sofisticados y bien entrenados, sino que implica dotar a las máquinas de una amplia gama de retroalimentación. Sin embargo, la integración de tecnología de detección adicional tampoco está exenta de retos técnicos.
Emular los matices de la respuesta humana
La interacción humana se caracteriza por la capacidad de percibir incluso las variaciones más sutiles en el tacto, el peso, la textura o la temperatura. Nuestras manos y nuestra piel ajustan rápidamente el agarre y la postura basándose en la información sutil que reciben de una compleja red de receptores sensoriales. Para imitar esta capacidad, los robots deben estar equipados con sensores que puedan detectar diferencias mínimas en la fuerza, los cambios de temperatura y otras señales ambientales, y esta información debe enviarse a los sistemas electrónicos de control para permitir ajustes predictivos y adaptativos inteligentes en tiempo real.
Mientras que la robótica en entornos industriales o de laboratorio controlados tradicionales ha dependido a menudo de una programación fija y de una retroalimentación limitada de los sensores, conformándose con transductores de fuerza rudimentarios y unos pocos encoders, la próxima generación de robots tendrá que integrar a la perfección una gama mucho más amplia de entradas sensoriales. Esta integración supone en sí misma un reto para los ingenieros, ya que aumenta la complejidad del diseño y los costes, por lo que es fundamental que los sensores diseñados para aplicaciones robóticas se diseñen de manera que agilicen el desarrollo y faciliten la integración y el montaje.
Integración de diversas entradas sensoriales
Otro reto surge de la necesidad de fusionar datos procedentes de una amplia gama de tipos de sensores. Los sistemas robóticos avanzados dependen de las entradas de sensores táctiles, encoders de posición, controladores de temperatura, sensores de corriente y otros detectores externos. El proceso de integración de estos diversos flujos en un modelo sensorial unificado no es sencillo. No solo requiere algoritmos sofisticados que puedan conciliar las diferencias de resolución, frecuencias de muestreo y variabilidades inherentes a las señales, sino que también el propio hardware debe diseñarse de manera que facilite una integración fluida. Esto podría implicar el empleo de protocolos de comunicación estandarizados que reduzcan los problemas de compatibilidad o una configuración de sensores sin código que reduzca la complejidad del desarrollo. Al abordar estos retos de integración tanto a nivel algorítmico como de hardware, los ingenieros pueden garantizar que los datos multifacéticos de los sensores converjan en un flujo cohesionado, lo que permite a los robots responder con precisión y eficiencia.
Deficiencias de los sensores convencionales y la necesidad de escalabilidad
Algunas tecnologías de sensores, como los encoders ópticos o los transductores de fuerza simples, suelen funcionar adecuadamente dentro de los límites controlados de un laboratorio. Sin embargo, cuando se utilizan en entornos domésticos o de servicios, donde se producen situaciones impredecibles, pueden fallar. Esto puede deberse a que el sensor carece de la sensibilidad necesaria para detectar condiciones sutiles o que cambian rápidamente, o a que no es lo suficientemente robusto para aplicaciones propensas al polvo, las vibraciones u otros problemas.
Además, la búsqueda del crecimiento y las oportunidades de los mercados emergentes en el campo de la robótica plantea un importante problema de escalabilidad del diseño. En los diseños robóticos fabricados en serie, la facilidad de montaje e integración, junto con las consideraciones de coste y la mejora de la fiabilidad a largo plazo, suelen ser tan importantes como el rendimiento del sensor.
En general, para lograr una interacción verdaderamente similar a la humana en la robótica se necesita una sofisticada combinación de tecnologías avanzadas de sensores avanzadas y fusión inteligente de datos, diseñada para ayudar a los ingenieros a crear robots con la retroalimentación sensorial matizada y robusta necesaria para un funcionamiento seguro, eficiente y natural.
Tactaxis®: permitiendo a los robots sentir
La tecnología Tactaxis® de Melexis respalda el avance hacia una robótica más similar a la humana, capaz de operar en estrecha colaboración con los seres humanos en aplicaciones que van desde los cobots industriales hasta los robots de servicio doméstico. A pesar de los avances en la visión y el movimiento de los robots, la detección táctil ha permanecido durante mucho tiempo poco desarrollada. Tactaxis® ofrece a los ingenieros una solución que proporciona una retroalimentación de fuerza en 3D en tiempo real, crucial para una interacción segura entre humanos y robots y un control preciso.
Tactaxis® logra sus extraordinarias capacidades sensoriales mediante la incorporación de un imán dentro de una capa elástica y suave, que a su vez se encuentra sobre un circuito integrado de detección magnética 3D Triaxis®. Esta estructura recuerda a los receptores táctiles de la piel humana, lo que permite que la matriz de sensores, o «taxels», capture con precisión los datos de fuerza en 3D. Cuando se aplica presión o fuerza de corte al sensor, el campo magnético se altera y estos cambios son captados con precisión por el circuito integrado, lo que permite a los robots percibir el tacto.
Con una resolución de fuerza de 30 mN, los sensores Tactaxis® son capaces de percibir variaciones increíblemente pequeñas en la fuerza aplicada. Están diseñados para medir de forma fiable fuerzas normales de hasta 5 N y fuerzas de corte de hasta 2 N, y en situaciones inesperadas en las que se producen fuerzas más elevadas, los sensores pueden soportar hasta 15 N sin sufrir daños. Esta sensibilidad es vital para los robots que realizan tareas delicadas, como el agarre adaptativo y el control motor fino, esenciales para la interacción entre humanos y robots y para aplicaciones como la manipulación cuidadosa de productos agrícolas.
Además, los elementos compactos del sensor están diseñados para configurarse fácilmente en grandes matrices que cubren superficies complejas o manos robóticas con varios dedos. Esta flexibilidad significa que, ya sea para aplicaciones de montaje industrial, robótica sanitaria o prótesis portátiles, Tactaxis® ofrece a los ingenieros una plataforma robusta que se puede adaptar para satisfacer requisitos de diseño específicos.
Desde el punto de vista de la ingeniería, la integración de sensores avanzados en sistemas robóticos suele plantear retos importantes, especialmente cuando se trata de presupuestos de producción ajustados y limitaciones de espacio. Tactaxis® resuelve estos problemas gracias a su diseño compacto, con unas dimensiones de solo 6 x 6 x 4,4 mm³ por elemento sensor, y a su calibración en fábrica. Esta integración no solo simplifica la implementación en diversas plataformas robóticas, sino que también ofrece ventajas económicas sustanciales en comparación con soluciones de detección ópticas o mecánicas más complejas.
Al proporcionar una retroalimentación continua y matizada, Tactaxis® mejora significativamente la capacidad de un robot para interactuar con su entorno. Imitando el mecanismo de percepción de la piel humana, este sensor permite a los robots aprender de las experiencias humanas y adaptarse a ellas, lo que facilita una integración más fluida en entornos cotidianos. Los datos derivados de Tactaxis® permiten ajustes adaptativos en tiempo real en el agarre o la manipulación, lo que evita daños a objetos delicados y garantiza interacciones seguras cuando se trabaja junto a seres humanos. Ya sea en el ámbito de la automatización industrial o la asistencia sanitaria, esta refinada retroalimentación táctil fomenta un nivel de interacción similar al humano que es a la vez atractivo e intrínsecamente seguro.
Innovaciones más amplias en la cartera de sensores de Melexis
Aunque Tactaxis® destaca en la detección táctil robótica, es solo una parte de una gama más amplia de tecnologías de sensores que fabrica Melexis y que pueden ayudar a los ingenieros a mejorar la innovación en el diseño.
Arcminaxis®: precisión en la detección de movimiento
Arcminaxis® es un ejemplo del cuidadoso equilibrio entre la precisión y la implementación práctica. Desarrollado para proporcionar información detallada sobre la posición y la velocidad, Arcminaxis® emplea un diseño magnético único de doble vía tipo Vernier junto con una calibración en chip. Esto permite al sensor medir un rango completo de 360° con una resolución de 18 bits, capturando cambios de posición mínimos con una repetibilidad excepcional.
Diseñado para superar problemas como las desalineaciones mecánicas y las interferencias magnéticas residuales, Arcminaxis® ofrece a los ingenieros una alternativa fiable y flexible a los encoders rotativos convencionales. Su capacidad para integrarse fácilmente en diversas plataformas robóticas, desde brazos fijos hasta exoesqueletos portátiles, destaca su papel fundamental en la mejora del control del movimiento en diseños robóticos fabricados en serie.
Ampliando el horizonte de la detección
Además de la detección táctil y posicional, Melexis ofrece una gama de tecnologías de CIs sensores complementarias que abordan otros aspectos críticos de la robótica. Estas soluciones, al igual que las soluciones específicas para robótica Tactaxis y Arcminaxis®, están diseñadas para impulsar la innovación y reducir las complejidades de integración. Melexis suministra diversos componentes (sensores de posición, temperatura y corriente, y circuitos integrados de enclavamiento y conmutación) adaptados a los retos específicos de la robótica moderna.
Conclusión y guía electrónica descargable
El futuro de la robótica está siendo moldeado por la integración de innovadores sistemas de retroalimentación sensorial junto con soluciones de control inteligente. Las tecnologías avanzadas de sensores, como Tactaxis® y Arcminaxis®, son herramientas esenciales que pueden ayudar a los ingenieros a crear interacciones robóticas seguras, adaptables y similares a las humanas, que son fundamentales en los diversos entornos de aplicación actuales.
La amplia gama de soluciones de sensores y circuitos integrados de accionamiento de Melexis se basa en el diseño centrado en los ingenieros de la empresa y se ha desarrollado no solo para satisfacer las altas exigencias técnicas de la robótica moderna, sino también para ayudar a los ingenieros a superar los retos de integración y optimizar el rendimiento. Al adoptar estas sofisticadas tecnologías de sensores, los diseñadores pueden crear sistemas robóticos que son altamente eficientes y capaces de interacciones naturales y matizadas.
Invitamos a los ingenieros y profesionales del sector que deseen explorar las últimas innovaciones en robótica, así como las estadísticas clave del mercado, las tendencias emergentes, las aplicaciones y los retos, a descargar la última guía electrónica de Melexis: «Diseñando el futuro de la robótica: dominando la integración de capacidades sensoriales mejoradas».
