Hablar de robotica y, en particular, de automatizacion y robotica industrial, es hablar de decisiones técnicas que se toman con lápiz fino. Elegir un actuador equivocado dispara el consumo energético y la tasa de fallas. Elegir un sensor inadecuado mete ruido en el control y obliga a parar líneas. Quien ha tenido que justificar una parada nocturna para cambiar un encoder sabe que el costo real de un componente no está en la factura, sino en el tiempo improductivo que genera. Este texto reúne criterios prácticos para seleccionar actuadores y sensores con cabeza fría, sin fetichismo de catálogo, y con los pies en la planta.
Empecemos por la pregunta correcta: ¿qué hace el robot?
Antes de abrir hojas de datos conviene traducir la tarea del robot en requisitos físicos: fuerzas, torques, velocidades, aceleraciones, precisión, rigidez, ciclos por minuto, duty cycle, entorno, vida útil deseada, mantenimiento permitido. No es lo mismo un pick-and-place de 150 gramos que un soldador por puntos en carro lineal que soporta 200 kg en movimiento. Tampoco es igual trabajar en una sala limpia ISO 5 que en un taller con salpicaduras de aceite, microvirutas y niebla de refrigerante.
Tres detalles que suelo exigir en la etapa de especificación evitan muchos dolores de cabeza. Primero, delimitar el sobre alcance de la herramienta para considerar inercias máximas y colisiones posibles. Segundo, levantar el espectro térmico del entorno, no solo la temperatura media, sino también picos por radiación o cercanía a hornos. Tercero, acordar el margen de crecimiento de la tarea, porque una pinza que hoy agarra piezas de 3 kg suele acabar sosteniendo 5 kg un año después. De esa claridad saldrán las familias de actuadores y sensores que realmente compiten por la aplicación.
Actuadores: corazón mecánico y fuente de la mayor parte de los problemas
Un actuador convierte energía en movimiento útil. En la robotica industrial el menú se concentra en eléctricos, neumáticos e hidráulicos, con sabores especiales como actuadores piezoeléctricos, magnetorreológicos y tornillos de husillo motorizados. El criterio no se resume a potencia, requiere casar dinámica, controlabilidad, eficiencia y mantenimiento.
Motores eléctricos: servos, paso a paso y más
La tríada clásica, servomotores, motores de inducción y motores paso a paso, cubre el 90 por ciento de los casos. Los servos de imanes permanentes dominan en ejes que exigen control de posición o velocidad con precisión y respuesta rápida. Un servo de 750 W con par nominal de 2.4 N·m y pico de 7 N·m puede mover un eje con relaciones de reducción de 1:7 a 1:15 con holgura para ciclos de 30 a 60 por minuto. Su control vectorial y sus encoders absolutos de 20 a 24 bits permiten sincronizar ejes, compensar fricción y aplicar feedforward.
Los motores paso a paso encuentran su lugar en posicionamientos modestos con costos contenidos, impresoras 3D, pequeños pickers, dosificadores. Son robustos y predecibles en microstepping, pero pierden par a altas velocidades y, si se fuerzan sin realimentación, pueden perder pasos sin avisar. Cuando el presupuesto manda, una solución híbrida con stepper y encoder incremental en lazo cerrado da mucha tranquilidad por poca diferencia de precio.
Los motores de inducción siguen siendo los bestias de carga para bombas, ventiladores y transportadores. En robótica aparecen en ejes auxiliares donde la precisión de posición no es crítica y la velocidad constante es deseable. Con variadores de frecuencia modernos y filtros adecuados, se comportan mejor de lo que parece en aplicaciones de baja exigencia dinámica.
La decisión entre motor directo, reductor o husillo se toma en la mesa con el diagrama de velocidades y torques. Si el perfil exige rampas agresivas y posicionamiento submilimétrico, el juego mecánico es enemigo. Una etapa armónica con 30 a 50 microradianes de backlash ayuda, pero eleva el costo y requiere cuidado con las cargas de choque. En líneas donde tuvimos problemas de backlash, una buena práctica fue llevar la relación de reducción a 1:30 con armónico y montar un freno de retención, así evitamos descensos indeseados y vibraciones en micro movimientos.
Neumática: velocidad barata, control limitado
Las pinzas neumáticas y los cilindros siguen siendo imbatibles cuando el objetivo es abrir y cerrar rápido, mover en dos posiciones y tolerar suciedad. La neumática gana por costo de adquisición y mantenimiento simple. Pierde cuando se pide posicionamiento continuo, fuerzas estables en toda la carrera o eficiencia energética. Un cilindro de 32 mm a 6 bar entrega fuerza suficiente para miles de piezas por hora, pero su control fino de fuerza solo se logra con válvulas proporcionales de precio alto y tuning delicado.
La neumática se integra bien como periférico de un robot eléctrico: pinzas, soplados, expulsión. En un proyecto de ensamble de tapas plásticas, pasamos de una pinza eléctrica a una neumática paralela con sensor de confirmación, ahorro de 40 por ciento en costo y menos de 20 milisegundos de diferencia en ciclo. La clave fue aceptar que no necesitábamos medir fuerza, solo confirmar cierre.
Hidráulica: cuando manda la fuerza
Si hay cargas pesadas, resistencia a choques y necesidad de alta densidad de potencia, la hidráulica manda. Robots de fundición, manipuladores de chatarra, posicionadores de moldes. El control puede ser preciso con servo válvulas y transductores de presión, pero el costo de limpieza, filtrado y el riesgo de fugas en ambientes delicados la vuelve mala vecina en electrónica o alimentos. Siempre pregunto si la fuerza pico se da a alta o baja velocidad, porque la hidráulica brilla al entregar picos a baja velocidad sin calentar un motor eléctrico.
Actuadores lineales: tornillos, correas y guías
Para ejes cartesianos o desplazamientos de varios cientos de milímetros, la discusión se mueve a tornillos de bolas, husillos, correas dentadas y guías lineales. Un tornillo de 10 mm de paso con tuerca precargada ofrece rigidez y precisión de micras, ideal para pick-and-place o dosificación. A cambio, su velocidad máxima se ve limitada por pandeo y resonancias, sobre todo si la longitud efectiva supera 1.2 metros. Las correas dentadas son más rápidas y baratas, toleran carreras largas, pero su elasticidad introduce errores bajo carga variable y requieren tensión y mantenimiento periódicos.
Elegir guías lineales con el tamaño correcto ahorra fallas. Ver el coeficiente de carga dinámica y estática y sumar 30 por ciento de margen para choques y excentricidades. En un pórtico de 1.5 m por 0.8 m, cambiar de guías tamaño 15 a 20 eliminó atascos por partículas metálicas que, con el tamaño pequeño, dañaban la precarga.
Sensores: ojos y oídos del control
No hay buen control sin buena observación. En robotica y en computacion y robotica aplicada a la industria, la selección de sensores tiene dos partes: la medición primaria que cierra el lazo, y las confirmaciones que protegen y diagnóstican. Encoders, resolvers, tacómetros, sensores de fuerza, cámaras, lidar, inductivos, capacitivos, fotocélulas. Cada uno aporta algo y también introduce ruido, latencia y mantenimiento.
Encoders, resolvers y el eterno compromiso entre precisión y robustez
El encoder es el rey del posicionamiento. Los incrementales son simples y baratos, ideales para velocidad y desplazamiento relativo, con resoluciones de 1 a 10 mil pulsos por vuelta que, con cuadratura, se multiplican por cuatro. Los absolutos entregan posición única, clave en arranques y para evitar referencias. Los de 20 a 24 bits por vuelta son estándar en servos modernos y, si combinan vueltas múltiples, permiten seguimiento en largas carreras sin referencias.
El resolver es la opción de hierro, aguanta altas temperaturas, vibraciones y suciedad. Su electrónica traduce señales analógicas a posición con buena inmunidad al ruido. En soldadura por puntos y prensas, he visto resolvers con más de diez años sin quejas. Cuando el entorno es hostil, prefiero resolver más que encoder óptico, aunque la precisión nominal sea menor. En mecatrónica todo se vuelve útil si el control compensa; el secreto es saber qué error es repetible y cuál es aleatorio.
La interfaz importa. En ambientes ruidosos, señales diferenciales como RS-485, BiSS-C, EnDat o Hiperface reducen problemas. Evitar correr señales de encoder junto a cables de potencia o variadores. Si hay que hacerlo, separar 10 cm y poner trenzado y malla conectada en un solo extremo, no en ambos, para evitar lazos de tierra.
Sensores de fuerza y torque: tacto para montar sin romper
Cuando el robot aprieta, inserta, atornilla o suelda por fricción, medir fuerza o torque acelera el ciclo y reduce desperdicio. Un sensor de 6 ejes en muñeca permite estrategias de búsqueda de agujeros y control de contacto que un control solo con posición no logra. No hay que ir siempre al 6 ejes; celdas de carga simples en mordazas y transductores de torque en atornilladores cubren muchas necesidades. En un proyecto de inserción de conectores, un sensor de fuerza de 200 N con control de velocidad adaptativa bajó rechazos del 3 por ciento al 0.4, pagándose en dos meses.
La ubicación es crítica. Un sensor en la herramienta siente la fuerza real, pero complica el cableado. Uno en el eje siente menos ruido mecánico, pero debe decouplarse de la masa del actuador. Una mala colocación puede convertir vibraciones en falsas fuerzas. Probar es barato: fijar un acelerómetro temporal y medir vibraciones antes de instalar el sensor definitivo da pistas valiosas.
Visión artificial: desde detectar presencia hasta guiar en 3D
La visión industrial dejó de ser un lujo. Lectura de códigos, verificación de ensamblajes, detección de posición, guiado de ejes. Un lector de códigos 2D bien iluminado quita dolores que, de otro modo, se traducen en reprocesos. Para guiado, las cámaras 2D con calibración al plano funcionan si se asume una superficie y se corrige perspectiva. Cuando hay variación en altura o piezas apiladas de forma irregular, los sensores 3D por luz estructurada o tiempo de vuelo entran en juego. robotica La ventaja es clara en picking de cajas o piezas a granel.
La iluminación vale más que la cámara. Un anillo de luz consistente, filtros polarizados para eliminar brillos, y protección contra polvo hacen que una cámara de gama media rinda como una tope de gama en condiciones reales. En soldadura y fresado, una carcasa con presión positiva y ventana de vidrio templado con recubrimiento antiadherente dobla la vida de la óptica. Si se plantea robotica educativa, conviene exponer a los estudiantes a estos detalles prácticos, porque enseñan más que cualquier algoritmo.
Proximidad, presencia y seguridad
Los sensores inductivos detectan metales confiables a 2 a 15 mm. Son baratos y rápidos, buen recurso para referencias, finales de carrera o confirmaciones. Los capacitivos detectan plásticos, líquidos y granos, pero necesitan tuning y pueden dar falsos positivos con cambios de humedad. Las barreras fotoeléctricas ayudan en detección de piezas traslúcidas, pero hay que pensar en reflejos y suciedad.
La seguridad merece su propio párrafo. Cortinas de seguridad, escáneres láser, paros de emergencia, enclavamientos. Un robot colaborativo no significa ausencia de riesgo. En una celda donde un operador retiraba piezas cerca del robot, instalamos un escáner con dos zonas: una de advertencia que baja velocidad y otra de parada. El impacto en la productividad fue nulo y la tranquilidad del equipo subió de inmediato.
Cómo casar actuadores y sensores con la estrategia de control
Un buen hardware sin buen control es como un coche deportivo con neumáticos de bicicleta. Antes de especificar, conviene definir la arquitectura de control: PLC con módulos de movimiento, controlador de robot dedicado, PC con tiempo real, o una combinación. El tipo de bus de campo guía elecciones: EtherCAT brilla con servos y encoders rápidos, Profinet y Ethernet/IP integran bien periferia y PLC de planta. También importan los lazos de control: lazo de posición en el drive o en el controlador, feedforward, compensación de fricción, control de vibraciones.
Cuando un eje exige microposicionamiento, prefiero cerrar lazo con encoder en el motor y, si el mecanismo está elástico, añadir un encoder lineal en carga que alimente una segunda corrección. Esto eleva costo, pero salva tolerancias cuando el mecanismo flexa. En una aplicación de dispensado de adhesivo, pasar a encoder lineal magnético de 1 micra de resolución en la carga estabilizó el espesor del cordón y permitió subir un 12 por ciento la velocidad sin ondulaciones.
No se trata de usar el sensor más preciso, sino de usar el que, al cerrar el lazo, produce el error total más bajo con la menor latencia y ruido. Si el duty cycle es alto, considerar el calentamiento en la deriva de sensores y el efecto en parámetros del motor. Un servo mal sintonizado culpará al encoder, un encoder mal puesto culpará al reductor. Separar responsabilidades con pruebas A/B ahorra discusiones.
Entorno y protección: IP, vibraciones, EMC y el enemigo invisible llamado cableado
El papel aguanta todo. La planta no. Grado de protección IP, resistencia química de sellos, vibraciones mecánicas, compatibilidad electromagnética, ruta de cables. He visto robots impecables fallar por capuchones de conectores agrietados por aceite hidráulico. En hornos, un cable que a 70 °C vive diez años a 90 °C dura seis meses. En celdas con variadores grandes, los cables sin apantallar convierten encoders en generadores de problemas.
Una guía práctica que aplico y recomiendo:
- Para actuadores y sensores en ambientes limpios o sala blanca, buscar IP54 mínimo, materiales que no desprendan partículas, y lubricantes compatibles. En salas limpias, usar mangueras de vacío con baja emisión y evitar correas sin cubierta antiestática. En ambientes con virutas, aceites o refrigerantes, IP67 en sensores de proximidad y conectores. Usar protectores metálicos y fundas. Evitar policarbonato en ventanas expuestas a químicos agresivos. Si hay soldadura o plasma, cables con recubrimiento de silicona y rutas alejadas del arco. Conectar el shield por un solo extremo en señales analógicas y cuidar tierras equipotenciales.
Esta lista vale como recordatorio de que la selección no termina en el catálogo del actuador o del sensor, sino en cómo se protege y cablea.
Dimensionamiento con números, no con intuición
Cada selección debería sostenerse con cálculos, aunque sean simples. Par, inercia reflejada, frecuencia natural, margen de estabilidad, error acumulado. Para un eje rotativo, calcular la inercia de la carga y del reductor, reflejarla al motor y mantener la relación inercia carga a inercia motor por debajo de 10:1 si se busca control rápido. Los fabricantes ofrecen herramientas, pero una hoja de cálculo propia con supuestos claros es invaluable para riesgos y revisiones.
En lineales, calcular la fuerza necesaria sumando aceleración, fricción y gravedad. A partir de ahí, seleccionar motor, paso de tornillo o relación de la correa, y verificar velocidad máxima y resonancias. A mayor paso de tornillo, más velocidad y menos resolución; a menor paso, más fuerza y mejor resolución, pero límite de velocidad antes del látigo. En correas, considerar pretensión y alargamiento con temperatura, los milímetros que se van sumando se convierten en errores importantes en visión guiada.
Para sensores, la resolución no es la precisión. Importa la repetibilidad y la deriva con temperatura. Un encoder de 24 bits tiene resolución teórica de 0.02 milligrados, pero su precisión mecánica y el montaje determinan el error real, que puede rondar decenas de arcosegundos. En visión, la resolución en píxeles es irrelevante sin saber el campo de visión, la óptica y la iluminación. Un campo de 200 mm con 2 megapíxeles rinde 100 micras por píxel. Si se necesita 50 micras, subir a 5 megapíxeles o ajustar óptica y distancia.
Mantenimiento y vida útil: comprar pensando en la tercera avería
En automatizacion y robotica industrial, la evaluación de costo total de propiedad pesa tanto como el costo inicial. Un reductor armónico da precisión, pero su vida útil depende del par y del ciclo; a cargas cercanas al pico, puede necesitar recambio en 10 a 15 mil horas. Un tornillo de bolas de buena marca con lubricación automática sobrepasa 20 mil kilómetros de carrera sin juego apreciable. Una pinza neumática barata funciona bien hasta que un sello falla y, si no hay repuesto local, la celda se detiene.
La mantenibilidad se diseña. Dejar espacio para extraer un motor sin desmontar el eje completo. Estándares de conectores repetidos en toda la línea. Sensores con indicadores LED visibles desde fuera de la celda. Etiquetas legibles y rutas de cables con holgura. Una regla que aplicamos en el taller: cualquier componente que tenga un MTBF inferior a la vida deseada de la celda debe ser accesible sin grúa y con herramientas comunes.
En sensores, planificar limpieza y reaprendizajes. Las cámaras necesitan limpieza periódica de lente y revisión de iluminación; documentar los parámetros y guardar recetas evita perder horas si alguien toca ajustes. Los sensores de fuerza requieren recalibración si sufren choques, mejor incluir rutinas de chequeo al inicio de turno. Un plan de mantenimiento que combine inspecciones visuales semanales, verificación trimestral de pares y alineaciones y recambio preventivo anual de piezas críticas paga su inversión.
Ejemplos reales de combinaciones ganadoras
En una celda de paletizado de cajas de 18 kg, pórtico cartesiano con correas en X y Y y tornillo de bolas en Z fue la combinación más balanceada. Servos de 1.5 kW, encoders absolutos, pinza neumática de vacío con sensor de vacío analógico y fotocélula de confirmación en la pinza. La visión 2D solo para corrección de offset de paletización. Resultado, 12 ciclos por minuto sostenibles, 99.5 por ciento de disponibilidad, mantenimiento bajo.
En un montaje de conectores delicados, brazo colaborativo con sensor de fuerza en muñeca, servos con control de impedancia, atornillador con transductor de torque y cámara 2D para localizar el componente dentro de ±2 mm. Se eligió pinza eléctrica para control de fuerza de agarre. La clave fue la sensibilidad al contacto: detectar 3 N de contacto y seguir perfil de inserción con fuerza limitada. Rechazos debajo del 1 por ciento y cero roturas de piezas.
En mecanizado de piezas de aluminio con carga automática, motor de inducción para transportador, actuadores neumáticos para empujadores y topos de referencia, y servomotor para eje de posicionamiento con reductor planetario de baja holgura. Sensores inductivos IP67, todo apantallado y con presión positiva en el gabinete de visión. La robustez primó sobre la precisión de laboratorio, ya que el CNC era la referencia. La celda lleva tres años sin paradas mayores.
Pruebas, validación y margen: el seguro de la inversión
Ninguna selección es definitiva hasta que se prueba con la pieza real. Hacer un piloto, aunque sea con un eje y la herramienta, descubre problemas de rigidez, resonancias de la mesa, interferencias de cables, polvo que no se imaginaba. Con 10 a 20 por ciento de margen en par y velocidad se compra tranquilidad. Mejor evitar diseños al límite que luego obligan a bajar aceleraciones en planta.
Registrar datos desde el primer día ahorra discusiones. Corrientes de motor, temperaturas, tiempos de ciclo, rechazos. Un simple dashboard muestra tendencias y alerta de rodamientos que empiezan a cantar. Muchas veces la diferencia entre una línea “caprichosa” y una estable es un sensor mal montado que, con datos, canta su culpa en un gráfico.
Formación del equipo y documentación que sí sirve
La robotica educativa tiene aquí un rol práctico: enseñar a los técnicos a leer hojas de datos, entender buses de campo y diagnosticar con osciloscopio. No alcanza con saber “que es robotica” o “que es la robotica” como definición de manual, hay que saber por qué un encoder arroja jitter o por qué una pinza pierde fuerza después de 200 mil ciclos. Incluir en el dossier de la celda el árbol de decisiones de selección de actuadores y sensores eleva el nivel de mantenimiento. Manuales de una página con fotos, ubicaciones de conectores, parámetros clave y repuestos con código interno. Nada de manuales de 200 páginas que nadie abre.
Si el cliente pide imágenes de robotica para capacitación, que esas imágenes muestren lo que importa: la colocación de sensores, el ruteo de cables, el apantallamiento, las cotas de montaje. Esas fotos valen más que renders pulidos del robot posando.
Sostenibilidad y energía: watts que no se ven, euros que sí
Un actuador sobredimensionado consume más y calienta más. En servos, operar cerca del punto de mejor eficiencia, típicamente al 60 a 80 por ciento de par nominal, reduce consumo y alarga vida. Recuperación de energía en descensos y frenadas con drives regenerativos puede ahorrar entre 5 y 15 por ciento en ciclos con mucha elevación. En neumática, bajar de 6 a 5 bar cuando la aplicación lo permite reduce fugas y consumo, y ajustar tiempos de soplado recorta aire desperdiciado. La hidráulica necesita atención a bombas de desplazamiento variable y a acumuladores bien dimensionados para evitar picos.
Sensores inteligentes que duermen fuera de ciclo y cámaras que bajan frame rate en espera suman ahorros marginales que, en líneas grandes, despegan en la factura eléctrica. Medir para creer: instalar un medidor de energía por celda y tomar datos antes y después de ajustes convierte conjeturas en políticas.
Errores comunes que conviene evitar
He visto patrones que se repiten. Elegir el sensor por la resolución que anuncia y no por su repetibilidad y entorno. Sobredimensionar motores “por las dudas” y luego luchar con resonancias y calentamiento. Poner vision sin controlar luz ambiente. Subestimar la importancia del cableado y de la puesta a tierra. Ignorar la trazabilidad de parámetros; cuando alguien cambia una ganancia y nadie lo registra, los fantasmas aparecen.
La forma de evitarlos es institucionalizar revisiones de diseño con Obtener más información checklists breves, prototipos tempranos, y pruebas de estrés. Cuando el plazo aprieta, el tiempo ganado saltando pruebas se paga en curva de arranque dolorosa. No hay proyecto donde no surja algo inesperado. Lo esperable es tener margen y un plan para absorberlo.
Criterios de selección, en breve para la decisión final
Para cerrar, conviene destilar la lógica que sigo cuando pongo una pieza sobre la mesa y tengo que decidir actuador y sensor:
- Parto de la física de la tarea: masa, inercias, velocidad, precisión, duty cycle, entorno. Con eso descarto familias enteras que no tienen sentido. Cruzo dinámica con control: qué lazo cierro, con qué latencia y con qué bus. Un buen sensor con mala integración no sirve. Elijo por repetibilidad y robustez más que por resolución bruta. Prefiero menos bits bien montados que más bits en papel. Diseño mantenibilidad desde el inicio, acceso, repuestos, documentación, estandarización de conectores y referencias. Pongo a prueba con la pieza real, mido y dejo margen del 10 al 20 por ciento en par y velocidad. Ajusto a partir de datos, no de percepciones.
La robotica industrial no es un concurso de especificaciones, es una disciplina de decisiones sobrias, pruebas honestas y mejoras iterativas. Elegir bien actuadores y sensores es elegir cómo de previsible será la línea, cuánta paz tendrá el equipo de mantenimiento y cuán rápido se pagará la inversión. Esa es la brújula que, al final, más conviene seguir.