Por qué los tornillos de rodillos ofrecen el máximo rendimiento en robótica

Puede que no conozca los tornillos de rodillos, pero estos accionamientos de tornillo compactos y de alta eficiencia son una tecnología importante en la fabricación de dispositivos y productos cotidianos. De hecho, en la producción y el montaje de su coche intervienen probablemente más de 20 tornillos de rodillos, que realizan funciones como el estampado, el doblado de tubos y el remachado.

Pero los tornillos de rodillos no se limitan a la industria automovilística y pesada, como el moldeo por inyección y el mecanizado. Por el contrario, los tornillos de rodillos pueden producir los desplazamientos (movimientos) más pequeños de cualquier tecnología de tornillo, manteniendo al mismo tiempo un funcionamiento extremadamente silencioso y suave, lo que los hace ideales para aplicaciones muy diversas en robótica.

Lo que necesitan los robots: alta eficiencia y tamaño compacto

En cuanto a las tecnologías de tornillo de precisión, existen tres opciones principales: los husillos trapezoidales, los husillos de bolas y los tornillos de rodillos. Los husillos trapezoidales son versátiles en diseño y materiales, pero su eficiencia y capacidad de carga son relativamente bajas. Los husillos de bolas tienen buena eficiencia, pero cuando la aplicación requiere un diámetro de tornillo y un paso pequeños, la capacidad de carga se resiente, ya que las bolas portantes también deben ser muy pequeñas. 

Los tornillos de rodillos, por su parte, ofrecen buena fuerza de empuje en dimensiones compactas, además de una eficiencia excelente, la mejor de todas las posibles. Como ejemplo, al comparar la capacidad de carga y la eficiencia de distintas tecnologías de tornillo del mismo diámetro (todas con paso de 1 mm), el accionamiento de tornillo de rodillos tiene una capacidad de carga cuatro veces mayor que el de husillo de bolas, y una eficiencia dos veces superior a la del husillo trapezoidal. 

Esta combinación de características de funcionamiento y diseño convierte a los tornillos de rodillos en una solución ideal para muchas aplicaciones robóticas y afines. Por ejemplo, los robots que utilizan activación lineal para articular las juntas (de forma similar a como el bíceps controla el movimiento del antebrazo) se benefician de la mayor capacidad de carga y del menor peso de los accionamientos de tornillo de rodillos.

En las aplicaciones de pinzas robóticas, los tornillos de rodillos pueden proporcionar niveles de fuerza de retención extremadamente altos, necesarios para un agarre fiable, y pueden hacerlo con un par de entrada mínimo. La clave de esta combinación de gran fuerza y bajo par de entrada es el uso de un tornillo con un paso muy pequeño.

Los tornillos de rodillos también pueden utilizarse en herramientas robotizadas montadas en el extremo del brazo. En estas aplicaciones, la capacidad del accionamiento de tornillo de rodillos para generar gran fuerza en una carcasa pequeña supone una ventaja frente a otras soluciones. Esto se debe a que mantener un peso (masa) bajo es fundamental en los componentes situados en el extremo del brazo del robot. 

Las cargas pesadas situadas en el extremo del brazo del robot generan una inercia considerable, lo que dificulta el control preciso del movimiento del robot y, en algunos casos, exige motores y otros componentes de transmisión más grandes. Esta excelente relación entre potencia y peso es la razón principal por la que los robots de soldadura por puntos y las remachadoras automáticas utilizan mayoritariamente tornillos de rodillos como accionamiento.

Tendencias en robótica

La computación moderna, los métodos de fabricación y las tecnologías de baterías han impulsado un rápido progreso en automatización y electrificación, creando numerosas aplicaciones robóticas y móviles que eran imposibles hace apenas unos años. Un ejemplo es el desarrollo de prótesis activas (prótesis accionadas por motores), que mejoran notablemente el funcionamiento y el movimiento de las personas con amputaciones.

A diferencia de los grandes robots industriales, en los que cada articulación utiliza su propio motor y reductor, muchas prótesis activas emplean un actuador lineal de tornillo, lo que permite diseños más pequeños, ligeros y resistentes. Aunque en las prótesis activas pueden usarse distintos tipos de tornillos, los tornillos de rodillos tienen una ventaja importante frente a otras tecnologías: una relación rendimiento-tamaño inigualable. 

Por ejemplo, un tornillo de rodillos de solo 3,5 mm de diámetro, lo bastante pequeño para caber en la palma de la mano, puede empujar cargas de hasta 227 kg y realizar movimientos en el rango micrométrico y submicrométrico, para imitar mejor las articulaciones y los dedos humanos.

Los exoesqueletos electromecánicos son otra tecnología robótica de rápido desarrollo. Según las previsiones, el mercado de exoesqueletos crecerá más de un 46 % entre 2021 y 2026, y los exoesqueletos activos representarán una gran parte de este crecimiento (en comparación con los pasivos).

Aunque nos gustaría poder programar robots para realizar cualquier tarea manual que resulte demasiado pesada o arriesgada para las personas, hay demasiadas variables para que esto sea práctico en muchas tareas, como podar ramas de árboles en jardines residenciales. La solución es un exoesqueleto controlado por una persona o un robot de control activo. 

Esto combina la toma de decisiones humana con menor riesgo, menos lesiones y mayor capacidad de carga. Como las prótesis, los exoesqueletos se enfrentan a limitaciones de diseño relacionadas con el peso, el tamaño y la complejidad. Y en este ámbito, la relación extremadamente alta entre fuerza y tamaño y peso hace de los tornillos de rodillos una solución ideal.

Y cuanto más pequeña y móvil se vuelve una aplicación robótica, más limitantes son atributos como el consumo de energía, el tamaño y el peso. Ya sean drones, vehículos submarinos autónomos (AUV) o vehículos espaciales, los requisitos son los mismos: alta eficiencia, robustez y fiabilidad en la menor superficie posible.