Comparación de sistemas de propulsión de robots móviles: 2WD, 4WD, 4WS y robots sobre orugas

El sistema de propulsión de un robot móvil determina dónde puede operar, qué puede transportar y con qué precisión puede posicionarse, lo que influye en el 10–25% del coste total de la lista de materiales (BOM) del AMR y en el 25–40% del consumo energético.

Esta guía compara las cuatro arquitecturas de tracción dominantes en los robots móviles autónomos (AMR): tracción diferencial 2WD, tracción a las cuatro ruedas con dirección por deslizamiento, dirección en las cuatro ruedas (4WS) y tracción sobre orugas— en cuanto a capacidad de carga útil, precisión de posicionamiento, compatibilidad con el suelo, eficiencia energética y coste total de propiedad, de modo que los equipos de ingeniería y compras puedan elegir el chasis que mejor se adapte a los requisitos operativos basándose en datos, en lugar de en afirmaciones de marketing.

Comparación de sistemas de propulsión de robots móviles: 2WD, 4WD, 4WS y robots sobre orugas

En resumen

1. Tracción diferencial 2WD

La tracción diferencial 2WD es la opción más sencilla y económica. Funciona bien en suelos lisos y planos con cargas útiles ligeras o medias. Si tus instalaciones cuentan con suelos nivelados de epoxi u hormigón y transportas contenedores o palés pequeños, empieza por aquí.

2. Minicargadora con tracción a las cuatro ruedas

La minicargadora con tracción a las cuatro ruedas (4WD) ofrece mayor tracción y una mejor distribución de la carga. Admite cargas útiles más pesadas y se adapta a superficies ligeramente más irregulares que la de tracción a las dos ruedas (2WD), pero a cambio pierde algo de maniobrabilidad en suelos lisos.

3. 4WS (dirección en las cuatro ruedas)

El sistema 4WS (dirección en las cuatro ruedas) ofrece una maniobrabilidad omnidireccional y la máxima precisión de posicionamiento. Es la opción ideal cuando se necesita una precisión de acoplamiento de ±2 mm, se trabaja en pasillos estrechos o se manipulan cargas útiles superiores a 1.000 kg.

4. Tracción por orugas

La propulsión por orugas es la especialista en entornos exteriores y terrenos accidentados. Supera obstáculos que los robots con ruedas no pueden atravesar, trepa por pendientes más pronunciadas y transporta cargas proporcionalmente más pesadas, a costa de la velocidad, la eficiencia energética y el desgaste del suelo en interiores.

No existe un sistema de accionamiento que sea “el mejor”. El más adecuado depende del tipo de suelo, los requisitos de carga útil, las limitaciones de espacio, las necesidades de precisión y el presupuesto.

Esta guía analiza cada sistema en detalle para que puedas tomar esa decisión basándote en datos técnicos precisos, en lugar de en generalidades de marketing.

Por qué la elección del sistema de propulsión AMR determina todo lo que viene después

El sistema de propulsión no es un componente más entre muchos otros. Es la decisión arquitectónica que determina cómo se mueve el robot, dónde puede operar, qué puede transportar, con qué precisión se posiciona, cuánta energía consume y cuánto cuesta su adquisición y mantenimiento.

Si se modifica el sistema de propulsión, se modifican todos los aspectos posteriores: el dimensionamiento del motor, la capacidad de la batería, la arquitectura de control, la configuración del sistema de seguridad, los requisitos de preparación del suelo y el coste total de propiedad a lo largo del ciclo de vida de la flota, que oscila entre 5 y 7 años.

Sin embargo, en muchos procesos de adquisición, el sistema de accionamiento se trata como un simple elemento más de la ficha técnica, en lugar de como una decisión estratégica. Este artículo está dirigido a los ingenieros y responsables de operaciones que necesitan tomar esa decisión basándose en datos reales, y no en argumentos de marketing.

Temas que trata este artículo:

• Las cuatro arquitecturas de propulsión predominantes en los robots móviles industriales actuales son la tracción diferencial 2WD, la tracción 4WD con dirección por deslizamiento, la dirección independiente 4WS y la tracción sobre orugas
• Cómo funciona cada sistema desde el punto de vista mecánico y eléctrico
• Datos de rendimiento sobre carga útil, velocidad, precisión, compatibilidad con el suelo y consumo energético
• Un marco de decisión que permite asignar tus requisitos operativos al sistema de accionamiento adecuado
• Normas de seguridad pertinentes (ISO 3691-4, ANSI/RIA R15.08) y cómo la elección del sistema de accionamiento influye en la arquitectura de seguridad

Lo que no se trata en este artículo:

• Sistemas Mecanum y de ruedas omnidireccionales (se trata de configuraciones especializadas para casos de uso concretos; se tratan en un artículo aparte)
• Locomoción con patas o híbrida (fuera del ámbito de las plataformas industriales con ruedas o orugas)
• Robótica para consumidores o aficionados

Tabla comparativa de sistemas de propulsión para robots móviles

Tracción diferencial AMR de 2 ruedas motrices

Cómo funciona

Un robot con tracción diferencial utiliza dos ruedas accionadas de forma independiente montadas en un eje común, normalmente en el centro del chasis. Una o varias ruedas pasivas de apoyo proporcionan el equilibrio: dos ruedas de apoyo en una configuración de cuatro ruedas, o cuatro ruedas de apoyo en una configuración de seis ruedas para cargas más pesadas.

La dirección se controla exclusivamente mediante la diferencia de velocidad entre las ruedas motrices izquierda y derecha. Si ambas ruedas avanzan a la misma velocidad, el robot se desplaza en línea recta. Si la rueda izquierda gira más rápido que la derecha, el robot gira a la derecha. Si giran a velocidades iguales pero opuestas, el robot gira sobre sí mismo en torno a su punto central.

No hay motor de dirección, ni varillaje de dirección, ni pivote central, ni ángulo de dirección servocontrolado. Los motores de tracción se encargan de todo el trabajo, y el sistema de control es, en consecuencia, sencillo: un controlador predictivo de modelo PID que regula la velocidad de cada rueda basándose en la información de retroalimentación del codificador.

Esa sencillez es el mayor punto fuerte de la arquitectura. También es la causa de todas las limitaciones que se derivan de ella.

Componentes clave

1. Dos motores de accionamiento

Normalmente son motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) con reductores planetarios o armónicos integrados. Rango de potencia habitual: entre 200 y 750 W por motor para los AMR de almacén.

2. Codificadores incrementales

Uno por motor de tracción, normalmente de 1.024 a 4.096 PPR (pulsos por revolución). Estos proporcionan la información de velocidad y posición para el bucle de control. Los sistemas de tracción diferencial carecen de codificadores de dirección absolutos, ya que no hay ningún eje de dirección que medir.

3. Lanzadores pasivos

Ruedas con banda de rodadura de poliuretano, normalmente de entre 75 y 150 mm de diámetro, con cabezales giratorios de doble rodamiento. Se trata de piezas sujetas a desgaste que se sustituyen anualmente en operaciones que funcionan las 24 horas del día, los 7 días de la semana.

4. Controladores de motores

Variadores conectados en red CANopen o EtherCAT, a menudo con STO (Safe Torque Off) integrado para cumplir con los requisitos de seguridad funcional.

5. Suspensión (opcional)

Soportes de ruedas con resorte o un pivote central para mantener el contacto con el suelo en superficies ligeramente irregulares. Muchos robots básicos con tracción diferencial carecen de suspensión y dependen de que el suelo esté nivelado.

Características de rendimiento

1. Carga útil

En configuraciones industriales estándar, los robots con tracción en las dos ruedas (2WD) pueden manejar cargas útiles de hasta 300–500 kg. El factor limitante no es el par motor —siempre se pueden especificar motores más potentes—. La verdadera limitación es la capacidad de carga de las ruedas giratorias y la presión sobre el suelo. Cada rueda soporta aproximadamente la mitad de la carga útil más una fracción del propio peso del robot. Con una configuración de cuatro ruedas de poliuretano de 75 mm con una capacidad nominal de 150 kg cada una, el límite práctico de carga útil ronda los 500 kg. Hemos visto a integradores ampliar este límite hasta los 600 kg con ruedas de 100 mm, pero, a partir de ahí, la carga sobre el suelo empieza a causar problemas de mantenimiento.

A partir de los 500 kg, las ruedas giratorias comienzan a desgastarse rápidamente, las marcas en el suelo se convierten en un problema y la distancia de frenado del robot bajo carga supera lo permitido por las normas de seguridad, a menos que se opte por ruedas giratorias y motores más grandes y caros. En ese momento, la tracción a las cuatro ruedas (4WD) o la dirección en las cuatro ruedas (4WS) se convierten en la opción más económica.

2. Velocidad

El rango de funcionamiento habitual de los AMR con tracción diferencial para almacenes es de 1,5 a 2,0 m/s (5,4 a 7,2 km/h). Esta velocidad es suficiente para la mayoría de las tareas intralogísticas: un robot que se desplaza a 1,8 m/s recorre un pasillo de almacén de 100 metros en menos de un minuto. Es posible alcanzar velocidades mayores, pero ello implica requisitos adicionales en cuanto al alcance de los sensores de seguridad, según la norma ISO 3691-4.

3. Precisión de posicionamiento

 Los fabricantes indican una tolerancia de ±10 mm para los robots con tracción diferencial en condiciones reales. Esa cifra parte de la base de que el suelo esté en buen estado, que las ruedas sean macizas y que el codificador se calibre periódicamente. Si a esto le sumamos el polvo, la humedad o las irregularidades del terreno, la precisión se reduce rápidamente: el deslizamiento de las ruedas provoca errores de odometría que el codificador por sí solo no puede detectar.

Este es el límite fundamental de la precisión de la tracción diferencial. El sistema deduce el ángulo de giro y la posición de forma indirecta a partir de la velocidad de las ruedas. Cuando una rueda patina, el codificador registra un movimiento que nunca se ha producido. El sistema de control no tiene forma independiente de saber que se le ha engañado. Las IMU y la localización basada en SLAM lo compensan a nivel de navegación, pero la precisión de la navegación por estimación a nivel de conducción sigue siendo limitada, por muy buena que sea tu pila de navegación.

4. Requisitos relativos al suelo

Liso, plano, nivelado y limpio. Los robots con tracción diferencial necesitan un contacto continuo con el suelo por parte de ambas ruedas motrices. Un desnivel, una protuberancia o cualquier residuo que eleve una rueda motriz, aunque sea solo unos pocos milímetros, hace que el robot se desvíe de su trayectoria, ya que la rueda elevada gira libremente mientras que la que está en contacto con el suelo impulsa al robot describiendo un arco. Los suelos de hormigón recubiertos de epoxi en buen estado son ideales. El hormigón pulido con un coeficiente de fricción inferior a 0,5 puede provocar deslizamientos. La planitud del suelo debe cumplir o superar los requisitos FF35/FL25 según las especificaciones de la norma ACI 117.

5. Eficiencia energética

La tracción diferencial es la configuración sobre ruedas más eficiente desde el punto de vista energético. Al contar solo con dos motores de tracción y sin actuadores de dirección que consuman energía, las pérdidas parásitas son las más bajas de todas las arquitecturas de tracción. Un AMR típico con tracción diferencial y una carga útil de 200 kg consume entre 400 y 800 W en desplazamiento en régimen estable sobre un suelo llano, lo que se traduce en entre 6 y 8 horas de funcionamiento con una batería de LiFePO4 de 48 V/60 Ah.

6. Coste

El sistema de propulsión —dos conjuntos de motor + caja de cambios + codificador + controlador, dos ruedas motrices y un juego de ruedas giratorias— tiene un coste de $2.000–$5.000 a nivel de lista de materiales (BOM) para componentes de grado industrial. Esa es tu referencia. Cualquier otra configuración se compara con esta cifra.

Cuándo optar por la tracción con diferencial 2WD

Elige la tracción diferencial cuando:

• Tus cargas son inferiores a 500 kg
• Tus suelos son lisos, planos y están en buen estado
• Tus rutas son relativamente sencillas (de punto a punto, sin maniobras complicadas)
• Estás llevando a cabo una implementación a gran escala, y el coste por unidad es importante
• Tu tolerancia de acoplamiento es de ±10 mm o mayor.
• Quieres que el perfil de mantenimiento sea lo más sencillo posible

No elijas la tracción diferencial cuando:

• Tus suelos presentan cambios de pendiente, juntas de dilatación o irregularidades
• Necesitas capacidad para realizar movimientos laterales (como un cangrejo)
• Necesitas una precisión de acoplamiento inferior a ±5 mm
• Tu carga útil supera los 500 kg
• Trabajas en entornos húmedos, polvorientos o con riesgo de presencia de residuos, en los que es probable que las ruedas patinen

Sistema de tracción de un robot móvil con minicargadora de tracción a las cuatro ruedas

Cómo funciona

Un robot minicargadora con tracción a las cuatro ruedas utiliza cuatro ruedas motrices dispuestas en dos pares, uno a cada lado. Todas las ruedas de cada lado están conectadas mecánicamente o sincronizadas electrónicamente para girar a la misma velocidad. La dirección se consigue mediante una diferencia de velocidad entre los lados izquierdo y derecho: el mismo principio que el diferencial de un vehículo de tracción a las dos ruedas, pero con cuatro ruedas motrices en lugar de dos.

La ventaja clave con respecto a la tracción en las dos ruedas (2WD) es la tracción. Al contar con cuatro puntos de contacto en lugar de dos, el robot puede transmitir más par motor al suelo antes de que se produzca el deslizamiento de las ruedas. Esto se traduce directamente en una mayor capacidad de carga útil, una mejor capacidad para subir pendientes y un desplazamiento más fiable sobre suelos con un nivel moderado de suciedad (polvo, humedad ligera).

La contrapartida es el deslizamiento. Cuando un robot con tracción a las cuatro ruedas gira, las ruedas exteriores se deslizan lateralmente por el suelo porque tienen la orientación bloqueada. Con ruedas de poliuretano sobre epoxi, se oye un chirrido característico y se observa un desgaste acelerado de los neumáticos, sobre todo en las ruedas delanteras y traseras, que recorren la mayor distancia lateral durante los giros. Si alguna vez has visto trabajar a una cargadora compacta sobre hormigón, sabes exactamente cómo suena esto.

Componentes clave

1. Cuatro motores de accionamiento

Uno por rueda, normalmente de entre 200 y 750 W cada uno en el caso de los robots de almacén. Los motores BLDC con reductores planetarios siguen siendo el estándar. Algunos diseños utilizan dos motores más grandes para accionar cada lado mediante una transmisión mecánica (correa o cadena), lo que reduce el número de motores pero aumenta la complejidad mecánica.

2. Sincronización motora

La sincronización electrónica a través de CANopen o EtherCAT es el método más moderno. Los diseños más antiguos o de menor coste utilizan un acoplamiento mecánico (un solo motor por lado con un eje de transmisión y un diferencial), pero esto impide el control independiente de las ruedas.

3. Suspensión

Esto es más crítico en los robots 4WD que en los 2WD. Si una rueda pierde contacto con el suelo en una superficie irregular, el robot pierde tracción en ese lado de forma proporcional a la pérdida de contacto. La suspensión de tipo «rocker-bogie» o de brazo oscilante independiente es habitual en los robots 4WD de gama alta. La precarga de los muelles debe ajustarse con cuidado: si es demasiado blanda, el robot se balancea bajo carga; si es demasiado rígida, la suspensión no se articula.

4. Neumáticos

Tienen un diámetro mayor que sus equivalentes de tracción a las dos ruedas (normalmente entre 200 y 400 mm frente a entre 125 y 250 mm) para adaptarse al recorrido de la suspensión y distribuir las cargas más elevadas. El poliuretano sigue siendo el material estándar; las ruedas neumáticas se utilizan en los robots de tracción a las cuatro ruedas aptos para exteriores.

Características de rendimiento

1. Carga útil

Los robots de minicargadora con tracción a las cuatro ruedas (4WD) suelen manejar cargas de entre 200 y 2.000 kg. El rango inferior (200-500 kg) corresponde a los robots compactos de almacén; el rango superior (1.000-2.000 kg), a los AMR para el traslado de palés y a las carretillas elevadoras autónomas. Al contar con cuatro puntos de contacto que distribuyen la carga, la presión sobre el suelo por rueda es menor que la de un robot de tracción en dos ruedas (2WD) que transporte la misma carga útil, lo que reduce el desgaste del suelo y los fallos relacionados con las ruedas giratorias.

2. Velocidad

1,5–2,5 m/s. En la práctica, es más rápido que un vehículo de tracción a las dos ruedas, ya que la tracción adicional permite una mayor aceleración y desaceleración sin que las ruedas patinen. La velocidad máxima suele estar limitada por el alcance del sensor de seguridad, no por la capacidad del motor.

3. Precisión de posicionamiento

±5–10 mm. Es mejor que la tracción 2WD porque la menor pérdida de tracción de las ruedas hace que la odometría basada en el codificador sea más fiable. Sin embargo, el mecanismo de giro de la minicargadora introduce su propia fuente de error: durante un giro, el deslizamiento lateral de los neumáticos es impredecible y varía en función del estado del suelo, el desgaste de los neumáticos y la distribución de la carga.

4. Requisitos relativos al suelo

Más plana y resistente que la exigida para los vehículos de tracción a las dos ruedas (2WD). La dirección por deslizamiento ejerce fuerzas laterales sobre la superficie del suelo en cada giro. Los recubrimientos epoxi deben adherirse correctamente y tener un espesor suficiente para resistir la delaminación. Los suelos de hormigón deben sellarse para evitar la generación de polvo debido a la abrasión de los neumáticos. La superficie del suelo mostrará patrones de desgaste visibles a lo largo de las rutas del robot a las pocas semanas de su puesta en marcha; esto es normal y debe tenerse en cuenta en el presupuesto de mantenimiento de las instalaciones.

5. Eficiencia energética

Menor que el de un robot de tracción a las dos ruedas (2WD), debido a los cuatro motores y a la energía que se pierde por el rozamiento de los neumáticos al tomar las curvas. Se espera un consumo energético entre 15 y 251 TP3T mayor por metro recorrido en comparación con un robot de tracción a las dos ruedas (2WD) de peso similar. En una aplicación típica de AMR en un almacén, un robot de tracción a las cuatro ruedas (4WD) consume entre 600 y 1.000 W en desplazamiento en régimen estable.

6. Coste

El sistema de tracción cuesta entre 1,5 y 2 veces más que el equivalente de tracción a las dos ruedas. Cuatro conjuntos de motor + caja de cambios + codificador, cuatro controladores, cuatro ruedas y un sistema de suspensión elevan el coste. La suspensión es el elemento que más encarece el conjunto: una suspensión independiente adecuada, con brazos oscilantes mecanizados y unidades de muelle y amortiguador, puede costar tanto como los motores a los que da soporte.

Cuándo optar por una minicargadora con tracción a las cuatro ruedas

Elige una minicargadora con tracción a las cuatro ruedas cuando:

• Tu carga útil oscila entre 500 y 2.000 kg
• Tus suelos son, en general, lisos, aunque pueden presentar pequeñas imperfecciones.
• Necesitas una tracción superior a la de la tracción a las dos ruedas (2WD) para acelerar, frenar o subir pendientes suaves.
• Tu presupuesto permite un sobrecoste de entre 1,5 y 2 veces el de un vehículo con tracción a las dos ruedas
• Aceptas que el minicargador provoque cierto desgaste en el suelo.

AGV/AMR con dirección en las cuatro ruedas (4WS)

Cómo funciona

Un robot 4WS utiliza cuatro ruedas motrices que se pueden dirigir de forma independiente: una en cada esquina del chasis. Cada conjunto de rueda (a veces denominado “rueda motriz de dirección” o “rueda motriz orientable”) integra dos motores: un motor de tracción que impulsa la rueda hacia delante y hacia atrás, y un motor de dirección que hace girar todo el conjunto de la rueda alrededor de un eje vertical.

Esta arquitectura de dos motores por rueda otorga al sistema de control autoridad independiente tanto sobre la velocidad como sobre el ángulo de giro de cada rueda. El resultado es una verdadera movilidad omnidireccional: el robot puede moverse hacia delante, hacia atrás, lateralmente (modo cangrejo), en diagonal o girar sobre sí mismo, y puede cambiar de un modo a otro sin detenerse.

La ventaja en cuanto a precisión proviene del codificador absoluto instalado en cada eje de dirección. A diferencia de la tracción diferencial, que deduce el ángulo de giro a partir de la velocidad de las ruedas (una medición indirecta vulnerable al deslizamiento), el sistema 4WS mide directamente el ángulo de giro real en cada rueda. Un codificador de dirección típico tiene una resolución de ±0,1°, lo que se traduce en un control lateral submilimétrico a nivel del chasis.

Componentes clave (por rueda)

1. Motor de tracción

Motor BLDC con reductor planetario, de 200 W a 2 kW según la clase de carga útil. Suele funcionar a 24-48 V CC y cuenta con un freno de retención integrado.

2. Motor de dirección

Más pequeño que el motor de tracción (100-500 W), con un reductor de tornillo sinfín de alta relación o un reductor armónico para mantener el ángulo de dirección frente a las fuerzas de la carretera. El reductor debe permitir un retroceso suficiente para que el codificador de dirección detecte perturbaciones externas, pero debe ser lo suficientemente rígido como para mantener la posición bajo carga.

3. Codificador absoluto (eje de dirección)

Este es el componente que define la ventaja de precisión de la arquitectura. Normalmente se trata de un codificador absoluto multivuelta con una resolución de entre 17 y 19 bits, que proporciona una medición angular precisa incluso tras los ciclos de encendido y apagado. No es necesaria ninguna rutina de referencia al arrancar.

4. Codificador incremental (eje de tracción)

Codificador de cuadratura estándar, 1.024–4.096 PPR.

5. Cojinete de la dirección

Un anillo giratorio de gran diámetro o un rodamiento de rodillos cruzados que soporta toda la carga vertical de esa esquina del robot, además de la carga útil, al tiempo que permite una rotación fluida. Se trata de un componente de alto coste y alta precisión.

6. Controlador

Un servoaccionamiento de doble eje que controla simultáneamente tanto el ángulo de dirección como la velocidad de tracción. EtherCAT con FSoE (FailSafe over EtherCAT) para la integración de la seguridad funcional.

Características de rendimiento

1. Carga útil

El sistema 4WS es la arquitectura diseñada para cargas pesadas. Las unidades de tracción y dirección de fabricantes como SEW-Eurodrive y CFA ofrecen capacidades de carga que van desde los 500 kg hasta más de 6.500 kg por conjunto de ruedas. Un robot 4WS de cuatro ruedas que utilice unidades de tracción y dirección del tamaño adecuado puede manejar cargas útiles que resultarían inviables con cualquier otra configuración.

Por eso, la arquitectura 4WS es la más utilizada en carretillas elevadoras autónomas, transportadores pesados de palés y plataformas logísticas para exteriores. Cuando hay que desplazar 2.000 kg de material y acoplarlo con una repetibilidad de ±2 mm en una línea de producción, la arquitectura 4WS es la única arquitectura sobre ruedas capaz de cumplir ambos requisitos al mismo tiempo.

2. Velocidad

1,0–2,0 m/s. La velocidad máxima suele estar limitada por consideraciones de seguridad y por la capacidad del sistema de dirección para mantener el control del ángulo bajo cargas dinámicas, y no por la potencia del motor. A velocidades más altas, los motores de dirección deben esforzarse más para mantener el ángulo de las ruedas frente a las fuerzas en las curvas, y el ancho de banda del bucle de control se convierte en el factor limitante.

3. Precisión de posicionamiento

±2–5 mm en el punto de acoplamiento, con una repetibilidad de tan solo ±2 mm en condiciones controladas. Esta es la ventaja que define esta arquitectura. La combinación de la medición directa del ángulo de dirección (codificadores absolutos), el control independiente de las ruedas y la capacidad de corregir la posición mediante movimientos laterales sin reorientar el chasis permite alcanzar una precisión que los sistemas diferenciales y de dirección por deslizamiento no pueden igualar.

Esto cobra especial importancia en aplicaciones como la manipulación de obleas de semiconductores, la alimentación de precisión en cadenas de montaje y el transporte de muestras hospitalarias, donde un error de posicionamiento de 10 mm puede provocar un fallo en la recogida o una colisión.

4. Maniobrabilidad: Omnidireccional. Los cuatro modos estándar son:

• Modo Ackermann: Las ruedas delanteras son direccionales y las traseras fijas, como en un coche. Es eficaz para recorridos largos y rectos.
• Modo cangrejo: Las cuatro ruedas giran en el mismo ángulo. El robot se desplaza en diagonal o lateralmente sin alterar la orientación del chasis. Esto resulta fundamental para el acoplamiento en pasillos estrechos.
• Rotación de radio cero: Las ruedas giran tangencialmente a un círculo cuyo centro es el propio robot. El robot gira sobre sí mismo sin desplazarse, lo que provoca menos desgaste del suelo que la rotación con dirección por deslizamiento.
• Modo independiente: Cada rueda se gira según su propio ángulo. Se utiliza para maniobras específicas, como girar en torno a una esquina.

5. Requisitos relativos al suelo

Es menos exigente que la tracción diferencial en cuanto a la planitud del terreno, ya que la suspensión independiente en cada esquina mantiene el contacto con el suelo incluso con variaciones moderadas de la superficie. Sin embargo, el suelo debe ofrecer una fricción constante: un punto resbaladizo bajo una rueda durante una maniobra de precisión puede hacer que esa rueda pierda capacidad de dirección, y el sistema de localización del robot detectará el error y se detendrá, lo que provocará que la maniobra falle.

6. Eficiencia energética

La configuración con ruedas más baja. Los ocho motores (cuatro de tracción y cuatro de dirección) consumen energía incluso cuando el robot está parado, ya que los motores de dirección deben mantener la posición frente a las fuerzas externas. En la práctica, los robots 4WS consumen entre un 25 y un 40% más de energía por metro que los robots 2WD equivalentes. Esto se traduce en baterías más grandes, tiempos de carga más largos o una reducción de las horas de funcionamiento con la misma capacidad de batería.

7. Coste

El sistema de tracción es entre 3 y 5 veces más caro que un diferencial de tracción a las dos ruedas. Haz las cuentas: cuatro unidades de tracción y dirección con doble motor y codificadores absolutos, cuatro servoaccionamientos de doble eje, cuatro cojinetes giratorios y los mazos de cables. Una unidad de dirección de grado industrial —motor, caja de cambios, codificador, cojinete, sin controlador— cuesta entre $1.500 y $4.000, dependiendo de la clase de carga. Multiplíquelo por cuatro. Añada cuatro controladores de doble eje a un precio de entre $1.000 y $2.000 cada uno. El coste del sistema de accionamiento por sí solo asciende a entre $10 000 y $24 000 por robot, sin contar el chasis, la batería, los sensores ni el sistema de control. Ese es el precio de la precisión.

Este coste tiene sentido cuando los requisitos de precisión y carga útil así lo exigen. No tiene sentido cuando un robot con diferencial de tracción a las dos ruedas cumpliría los mismos requisitos operativos a una cuarta parte del coste del sistema de propulsión.

Cuándo optar por la tracción 4WS (dirección en las cuatro ruedas)

Elige 4WS cuando:

• Necesitas una precisión de acoplamiento de ±5 mm o superior
• Vuestra instalación cuenta con pasillos estrechos que requieren un desplazamiento lateral (en zigzag).
• Tu carga útil supera los 1.000 kg
• Es necesario que el robot cambie de dirección sin reorientar su chasis (transportadores acoplados, cargas sensibles).
• Tus suelos están tan irregulares que un diferencial de tracción a las dos ruedas perdería adherencia
• Tu aplicación requiere que el robot se desplace en varias direcciones en espacios reducidos.

No elijas la tracción 4WS cuando:

• Un sistema de tracción a las dos ruedas (2WD) o a las cuatro ruedas (4WD) satisface tus necesidades de precisión y capacidad de carga a un coste menor
• Tu equipo no está preparado para la complejidad del mantenimiento (cuatro conjuntos de doble motor, ocho codificadores que calibrar, más modos de fallo).
• Tu presupuesto energético es limitado (el 4WS conlleva una penalización energética de 25–40% respecto al 2WD)

Robots móviles sobre orugas

Cómo funciona

Un sistema de propulsión por orugas sustituye las ruedas por orugas continuas —cintas de goma reforzada o de acero que discurren alrededor de un conjunto de ruedas dentadas motrices, ruedas tensoras y rodillos de apoyo a cada lado del robot—. Cada oruga es accionada de forma independiente por un motor a través de una rueda dentada motriz, y la dirección se realiza mediante el sistema de dirección por deslizamiento: variando la velocidad de la oruga izquierda con respecto a la derecha.

La característica mecánica que los define es la amplia superficie de contacto. Mientras que un robot con ruedas distribuye su peso entre cuatro pequeñas superficies de contacto (las huellas de los neumáticos), un robot con orugas distribuye ese mismo peso a lo largo y a lo ancho de ambas orugas. Esto reduce drásticamente la presión sobre el suelo, razón por la cual los vehículos sobre orugas pueden atravesar superficies blandas en las que los vehículos con ruedas se hunden: arena, barro, nieve, grava suelta y tierra blanda.

Las desventajas son la complejidad mecánica, una menor velocidad, un mayor consumo energético y el riesgo de que se produzcan daños en los suelos de los espacios interiores.

Componentes clave

1. Piñones de transmisión

De acero o aluminio, con dientes que se acoplan a las protuberancias de tracción de la oruga. El motor acciona directamente la rueda dentada a través de un engranaje planetario. Las ruedas dentadas más grandes reducen la tensión y el desgaste de la oruga, pero aumentan la anchura total del robot.

2. Ruedas tensoras

Ruedas sin motor en la parte delantera y trasera que mantienen la tensión de la cinta y la guían a lo largo de su recorrido. Suelen estar montadas en mecanismos de tensado (ajustadores roscados o accionados por resorte) para ajustar la tensión correcta de la cinta.

3. Ruedas de carretera/rodillos de apoyo

Las ruedas más pequeñas situadas entre las ruedas de apoyo sostienen el peso del robot a lo largo del tramo inferior de la oruga. El número y la separación entre ellas son parámetros de diseño fundamentales: un mayor número de ruedas de rodadura distribuye la presión sobre el suelo de forma más uniforme, pero aumenta el peso y la resistencia a la rodadura.

4. Pistas

El caucho reforzado con cordones internos de acero o Kevlar es el estándar en los robots industriales. Las orugas de acero con almohadillas de caucho se utilizan en aplicaciones de uso extremo (por ejemplo, en la construcción y la minería). La anchura de la oruga y el dibujo de la banda de rodadura se eligen en función del terreno al que se destinen.

5. Motores

Mayor par motor que los robots con ruedas equivalentes, ya que la propulsión por orugas es mecánicamente menos eficiente. Un robot con orugas que transporte la misma carga útil que un robot con ruedas necesita aproximadamente entre 25 y 50% más par motor para superar la fricción de las orugas.

6. Suspensión

Las ruedas de rodadura suelen montarse sobre un bogie o una suspensión de barra de torsión para mantener el contacto de las orugas con el terreno irregular. Esto no es opcional: un robot sobre orugas sin suspensión pierde tensión en las orugas y estas se salen del terreno accidentado.

Características de rendimiento

1. Relación entre la carga útil y el peso

Los robots sobre orugas transportan una carga útil proporcionalmente mayor en relación con su peso que los robots sobre ruedas. Un robot sobre orugas de 100 kg puede transportar una carga útil de 100 kg (relación 1:1). Un robot con ruedas comparable transporta entre 25 y 33% de su propio peso. Esto hace que la propulsión sobre orugas resulte atractiva para aplicaciones en las que el propio robot debe ser pequeño y ligero, pero la carga útil es considerable: reconocimiento, respuesta ante catástrofes y muestreo agrícola.

2. Capacidad todoterreno

Los robots sobre orugas suben pendientes más pronunciadas (hasta 34°, según las pruebas, frente a unos 31° en los de ruedas), superan obstáculos de entre 60 y 100% de altura y mantienen mejor el seguimiento de la trayectoria en pendientes superiores a 15°. En superficies blandas —arena, barro, nieve, tierra suelta—, los robots con orugas se desplazan por donde los de ruedas se hunden y se atascan. Esta es la ventaja definitoria de esta arquitectura y la razón por la que domina las aplicaciones al aire libre, todoterreno y fuera de carretera.

3. Velocidad

0,5–1,5 m/s en el caso de los robots industriales sobre orugas. Esta velocidad es inferior a la de sus equivalentes sobre ruedas (que suelen alcanzar entre 1,5 y 2,5 m/s). Esta limitación de velocidad se debe a dos causas: la fricción de las orugas aumenta con la velocidad, y los vehículos sobre orugas son más difíciles de detener porque la gran superficie de contacto con el suelo, que proporciona flotación, también da lugar a una mayor transferencia de impulso al suelo durante el frenado.

4. Precisión de posicionamiento

±10–20 mm, el valor más bajo de las cuatro arquitecturas. El deslizamiento de las orugas es inherente a la dirección por deslizamiento: las orugas deben deslizarse lateralmente sobre el suelo durante los giros, y la magnitud de dicho deslizamiento varía en función del tipo de superficie, la humedad de la misma, la tensión de las orugas y su desgaste. En consecuencia, la odometría obtenida a partir de los codificadores de los motores no es fiable. Para lograr un posicionamiento preciso en los robots sobre orugas se requiere el uso de GPS, SLAM visual o una infraestructura de localización externa (por ejemplo, reflectores o cinta magnética).

5. Compatibilidad con suelos de interior

Deficiente. Las orugas de goma dejan marcas visibles sobre el hormigón epoxi o pulido. Las orugas reforzadas con acero pueden arañar los suelos revestidos. El movimiento de la minicargadora raspa la superficie del suelo. Por lo general, no se recomienda el uso de robots con orugas en suelos interiores acabados. Si un robot con orugas debe operar en interiores (por ejemplo, un robot de construcción que se desplaza entre zonas interiores y exteriores), es necesario adoptar medidas de protección del suelo, y la instalación debería presupuestar un reacabado periódico del suelo.

6. Eficiencia energética

La más baja de todas las arquitecturas de propulsión. La fricción de la oruga, el gran número de elementos giratorios (piñones, ruedas locas, ruedas de apoyo) y la deformación continua de la oruga a medida que recorre su circuito consumen energía. Los robots sobre orugas consumen entre 25 y 30% más energía que los robots sobre ruedas en la misma superficie, y 50% o más en terrenos accidentados. Un robot sobre orugas que funciona durante 4 horas con una batería puede tener un equivalente sobre ruedas que funcione entre 6 y 8 horas.

7. Coste

El sistema de tracción es entre 1,5 y 2,5 veces más caro que un diferencial de tracción a las dos ruedas. Las orugas son elementos consumibles: un juego de orugas industriales de goma cuesta entre $500 y $2.000 y tiene una vida útil de entre 1.000 y 3.000 horas de funcionamiento, dependiendo de la abrasividad del terreno. La sustitución de las orugas es una partida de mantenimiento significativa que no existe en los robots con ruedas.

Cuándo optar por la tracción por orugas

Elige una transmisión por orugas cuando:

• Tu superficie de uso principal es al aire libre, sin asfaltar, blanda o irregular
• Tendrás que subir pendientes de más de 20°
• Tienes que superar obstáculos de más de 80 mm de altura.
• La relación entre la carga útil y el peso del robot debe ser elevada (0,5:1 o superior)
• El desgaste del suelo en interiores no supone ningún problema (o solo se utiliza en interiores durante traslados breves)

No elijas una transmisión por orugas cuando:

• Tu superficie de trabajo principal es un suelo interior acabado
• Necesitas una precisión de posicionamiento superior a ±10 mm
• Necesitas velocidades de desplazamiento superiores a 1,5 m/s
• La duración de la batería y la eficiencia energética son limitaciones operativas fundamentales
• Estás llevando a cabo una implantación a gran escala y quieres evitar la sustitución de las vías como gasto de mantenimiento recurrente

Comparación directa de sistemas de propulsión para robots móviles según criterios de decisión

Capacidad de carga

2WD Differential:     ████████░░░░░░░░░░   Up to 500 kg
4WD Skid-Steer:       ██████████████░░░░   Up to 2,000 kg
4WS Steering:         ██████████████████   Up to 6,500+ kg
Tracked:              ████████████░░░░░░   Up to 2,000+ kg
                      (but excellent payload-to-weight ratio)

Precisión de posicionamiento (cuanto menor, mejor)

La diferencia entre ±10 mm y ±2 mm puede parecer insignificante. Sin embargo, en un entorno de producción, supone la diferencia entre un robot que acopla de forma fiable el 99,5% de las veces y otro que requiere intervención manual varias veces por turno.

Compatibilidad con el tipo de suelo

Estructura de costes a lo largo de un ciclo de vida de cinco años

Se trata de estimaciones de orden de magnitud para un único robot que funciona en un turno al día. Una operación ininterrumpida (24 horas al día, 7 días a la semana) con tres turnos multiplica los costes de consumibles y mantenimiento aproximadamente entre 2,5 y 3 veces. Una flota de 10 robots multiplica estos costes por 10, aunque con algunas economías de escala en el inventario de piezas de recambio y en el tiempo de los técnicos.

¿Cómo elegir el sistema de propulsión AMR adecuado?

La elección del sistema de tracción se reduce a cinco preguntas. Respóndelas por orden.

Pregunta 1: ¿Dónde va a funcionar el robot?

• Suelos lisos de interiores (epoxi, hormigón pulido): La tracción 2WD, la tracción 4WD o la tracción 4WS son todas opciones viables. La tracción 2WD es la opción inicial más económica.
• Suelos interiores irregulares (hormigón sin sellar, grietas, juntas): 4WD o 4WS. Con 2WD se perderá tracción y el vehículo derrapará.
• Superficies al aire libre, sin asfaltar, blandas o con pendiente: Las configuraciones con orugas. Las de ruedas no funcionarán de forma fiable.
• Misto (interior y exterior): 4WS (con neumáticos) o con orugas, en función de la tolerancia del acabado del suelo interior.

Pregunta 2: ¿Cuál es su carga útil máxima?

• < 500 kg: El diferencial de tracción a las dos ruedas es suficiente y la opción más rentable.
• 500–1 000 kg: Minicargadora con tracción a las cuatro ruedas (4WD) o dirección en las cuatro ruedas (4WS). La tracción a las dos ruedas (2WD) ha llegado a su límite.
• 1.000–2.000 kg: La tracción 4WS es la opción estándar. La tracción 4WD es posible si se elige un motor de las dimensiones adecuadas.
• > 2 000 kg: El sistema 4WS es la única arquitectura sobre ruedas viable. Las orugas son una opción solo si la superficie lo requiere.

Pregunta 3: ¿Qué precisión de posicionamiento necesitas?

• ±10 mm o más holgado: El diferencial de tracción a las dos ruedas es suficiente. (Típico para la preparación de pedidos del tipo «mercancía a persona» y el transporte de zona a zona.)
• ±5–10 mm: 4WD o 4WS. (Típico para la interfaz con cintas transportadoras y la recogida de palés.)
• ±2–5 mm: 4WS es la única arquitectura que lo consigue de forma fiable. (Típica para el acoplamiento en líneas de producción, el montaje de precisión y la manipulación de semiconductores.)

Pregunta 4: ¿Hasta qué punto es reducido tu espacio?

• Pasillos amplios (>3 m), recorridos sencillos: Diferencial de tracción a las dos ruedas. La rotación in situ mediante la dirección diferencial es suficiente.
• Pasillos estrechos (2–3 m): 4WD o 4WS. El sistema 4WS con modo «cangrejo» ofrece la mayor flexibilidad.
• Pasillos muy estrechos (<2 m), maniobras con poco espacio: 4WS. El desplazamiento en modo «cangrejo» es la única forma de atracar lateralmente en un espacio reducido.
• Al aire libre, terreno abierto: Con orugas o tracción a las cuatro ruedas. Las limitaciones de espacio son menos relevantes; lo que prima es la capacidad todoterreno.

Pregunta 5: ¿Cuál es tu presupuesto?

• Minimizar el coste por unidad mediante una implementación a gran escala: Diferencial de tracción a las dos ruedas.
• Un pequeño sobreprecio a cambio de más prestaciones: Minicargadora con tracción a las cuatro ruedas.
• Orientado al rendimiento, con el coste por unidad en segundo plano: 4WS.
• Capacidad todoterreno a cualquier precio en suelos de interior: Seguido.

Matriz de decisión

Normas de seguridad y repercusiones en el diseño del sistema de propulsión AMR

El sistema de accionamiento está directamente relacionado con la seguridad funcional. Las normas de seguridad no especifican qué arquitectura de accionamiento debe utilizarse. No obstante, la arquitectura determina cómo se implementan las funciones de seguridad —y cuánto cuestan—.

ISO 3691-4: Carretillas industriales sin conductor

ISO 3691-4:2023 regula la seguridad de las carretillas industriales sin conductor (vehículos guiados automáticamente y robots móviles autónomos en entornos industriales). Requisitos clave que influyen en el diseño del sistema de propulsión:

1. Desconexión de par de seguridad (STO)

Todos los motores de accionamiento deben ser compatibles con STO, es decir, deben poder desactivar la salida de par mientras mantienen la conexión mecánica a nivel eléctrico. Esto suele implementarse a través del controlador del motor (entradas STO en el servoaccionamiento). En un robot de tracción en las dos ruedas (2WD), se necesitan dos canales STO. En un robot de cuatro ruedas motrices (4WS), se necesitan ocho (cuatro de tracción + cuatro de dirección).

2. Rendimiento de frenado

El robot debe detenerse en una distancia determinada, bajo carga máxima y a velocidad máxima. El sistema de frenado (frenos de retención electromagnéticos en los motores, además de cualquier freno mecánico) debe dimensionarse para el peor de los casos. Un robot de 4WS que desplaza 2.000 kg a 2,0 m/s necesita un par de frenado considerablemente mayor que un robot de 2WD que desplaza 250 kg a 1,5 m/s.

3. Estabilidad

El robot no debe volcarse en las condiciones especificadas de pendiente, velocidad y carga. El centro de gravedad del sistema de propulsión, la distancia entre ejes y la geometría de la suspensión son factores que influyen en el cálculo de la estabilidad. Los robots sobre orugas tienen una ventaja inherente en cuanto a estabilidad debido a su amplia superficie de apoyo y a su bajo centro de gravedad.

4. Control de la velocidad

El controlador de seguridad debe supervisar de forma independiente la velocidad del robot y activar una parada de protección si esta supera el límite configurado. Para ello se necesitan sensores de velocidad redundantes: normalmente, los codificadores del motor más un sensor independiente (radar, un segundo codificador o un sistema de medición externo).

ANSI/RIA R15.08: Seguridad de los robots móviles industriales

ANSI/RIA R15.08 Es la norma estadounidense sobre seguridad de los robots móviles industriales. Clasifica a los robots en Tipo A (robots móviles autónomos sin manipulador), Tipo B (AMR con manipulador) y Tipo C (manipuladores móviles que realizan tareas en múltiples ubicaciones). Implicaciones para el sistema de propulsión:

1. Solicitudes de tipo A (AMR dedicados exclusivamente al transporte)

Cualquier arquitectura de conducción puede cumplir estos requisitos. La responsabilidad en materia de seguridad recae principalmente en los sistemas de navegación y de detección de obstáculos.

2. Solicitudes de tipo B/C (vehículos de movilidad autónoma con cintas transportadoras y brazos robóticos)

La precisión en el acoplamiento se convierte en una cuestión de seguridad: si el robot no se acopla con precisión, el manipulador o la interfaz de la cinta transportadora podrían fallar de tal forma que se genere un riesgo. Esto hace que se opte por el sistema 4WS cuando la tolerancia de acoplamiento es muy ajustada.

Coste de la seguridad funcional según la arquitectura

El número de motores determina directamente el número de canales STO, de ejes con control de velocidad segura y de interfaces de codificador homologadas para seguridad. A grandes rasgos:

• 2WD: 2 canales STO, 2 ejes de velocidad segura. El coste de los componentes de seguridad más bajo.
• 4x4: 4 canales STO, 4 ejes de velocidad segura. Coste moderado de los componentes de seguridad.
• 4WS: 8 canales STO (4 de tracción + 4 de dirección), 8 ejes de velocidad segura. Coste de la lista de materiales (BOM) de máxima seguridad. Los codificadores absolutos con clasificación de seguridad en los ejes de dirección añaden $200–$500 por rueda.
• Seguimiento: 2 canales STO, 2 ejes de velocidad segura. Similar a la tracción 2WD, pero es posible que el sistema de frenado mecánico deba ser más potente debido al impulso todoterreno del robot.

Estos costes no son insignificantes. En el caso de un robot de 4WS, solo el hardware de seguridad funcional —accionamientos homologados para seguridad, PLC de seguridad, codificadores de seguridad y sensores de seguridad— puede superar el coste de la lista de materiales (BOM) de un sistema de accionamiento completo de 2WD. Hemos visto a integradores especificar 4WS para aplicaciones que un robot de 2WD podría gestionar con unas pocas modificaciones en el suelo y un pasillo más ancho. Eso no es ingeniería: es gastar dinero que no hacía falta gastar. Cuando la aplicación exige realmente el rendimiento de la tracción en las cuatro ruedas, la lista de materiales de seguridad es una partida necesaria. Cuando no es así, es un argumento a favor de la simplicidad.

Conclusión: Adapta el sistema de propulsión del robot móvil a tu operación

Tras más de 3.000 palabras en las que se comparan cuatro arquitecturas de accionamiento en función de una docena de criterios, la conclusión no es que haya un sistema que sea el mejor. La conclusión es que la elección del sistema de accionamiento consiste en encontrar la combinación adecuada entre tus requisitos operativos y los puntos fuertes y débiles de cada arquitectura.

La mayoría de los proyectos de automatización de almacenes deberían comenzar por evaluar un sistema de tracción diferencial 2WD. Es la opción más sencilla, económica y eficiente desde el punto de vista energético, y resulta adecuada para la mayoría de las aplicaciones logísticas en interiores. Solo se debe aumentar el nivel de complejidad cuando así lo exija un requisito operativo específico.

La tracción a las cuatro ruedas (4WD) es el primer paso lógico: mayor capacidad de carga, mayor tracción y un coste ligeramente superior. La tracción en las cuatro ruedas con dirección (4WS) es líder en precisión y capacidad de carga, y su mayor coste se justifica cuando el acoplamiento con una precisión de ±2 mm o el movimiento omnidireccional en espacios reducidos son requisitos imprescindibles. La tracción sobre orugas es la especialista en exteriores: esencial para terrenos accidentados, pero inadecuada para suelos interiores acabados.

El error más caro no es elegir una arquitectura equivocada, sino elegir una con especificaciones excesivas para una aplicación que no las necesita. Una flota de 20 AMR con sistemas de tracción 4WS en un almacén con pasillos anchos, suelos lisos y una tolerancia de acoplamiento de ±10 mm: eso supone $300,000–$500 000 que se deberían haber destinado a un segundo turno de robots de tracción 2WD, a efectores finales de mejor calidad o a una ampliación del entrepiso. Adapta el sistema de tracción a las necesidades, no a la ficha técnica.

¿Estás listo para elegir un sistema de propulsión para tu aplicación de robot móvil?

Ponte en contacto con el equipo de ingeniería de Fdata para analizar tus requisitos en cuanto a capacidad de carga, altura mínima, precisión y presupuesto. Fabricamos a medida chasis de robot móvil con configuraciones de tracción 2WD, 4WD, 4WS y sobre orugas para aplicaciones industriales B2B en todo el mundo.

PREGUNTAS FRECUENTES