Protocolo del profesional para pruebas de energía humana comparables

A pesar de los videos de progreso diarios y las hojas de especificaciones brillantes, una respuesta simple y comparable a “¿cuán eficiente es este humanoide?” sigue siendo evasiva. Los mapas de eficiencia resueltos por juntas rara vez son públicos, el costo estandarizado del transporte (COT) casi nunca se informa, y las políticas de regeneración suelen ser opacas. Eso deja a los ingenieros y compradores adivinando el rango de movilidad, los límites térmicos y el rendimiento de tareas en el mundo real.

Esto importa ahora porque las elecciones arquitectónicas, desde el giro cuasi-directo hasta los engranajes de onda de deformación y las transmisiones cicloidales, moldean directamente el uso de energía, el frenado recuperable y la degradación bajo carga. Sin un libro de jugadas compartido, las afirmaciones no pueden ser evaluadas en igualdad de condiciones. Este artículo establece un protocolo para medir y reportar con confianza la eficiencia de las juntas, el COT y la regeneración.

Lo que sigue es una metodología paso a paso que puedes implementar hoy: qué cuenta como comparable, listas de verificación de instrumentación y calibración, un conjunto de tareas estandarizado con velocidades/terrenos/cargas, controles ambientales y reglas de normalización, productos de datos y formatos de archivo, divulgaciones de control y procedimientos de incertidumbre/validación. También incluye una plantilla de publicación, criterios de aceptación y errores comunes a evitar. Adóptalo, y tus resultados se compararán de forma homogénea.

Filosofía de prueba y alcance: qué cuenta como comparable

Los datos de energía comparables comienzan acordando las cantidades, las reglas de normalización y el contexto. El protocolo se centra en métricas resueltas por juntas y a nivel de sistema que se mapean directamente a las demandas de tareas y la física del actuador.

Cantidades clave a reportar

• Eficiencia mecánico-eléctrica de la junta η_joint(τ, ω, T): potencia de salida mecánica (τ·ω) dividida por la potencia de entrada eléctrica de la barra de CC al inversor de la junta. Publicar como mapas sobre envolventes de velocidad-torque a temperaturas de componentes especificadas, con ciclo de trabajo y ambiente declarado explícitamente.
• Costo del transporte (COT)/resistencia específica ε: energía eléctrica total E consumida dividida por m·g·d, normalizada por la masa total m (robot más carga prescrita), gravedad g, y distancia d. Informe segmentos de estado estable y transitorios por separado.
• Densidad de torque y potencia: calificaciones máximas y continuas del módulo actuador (Nm/kg, W/kg) en límites térmicos definidos. El módulo incluye motor, transmisión, sensado, carcasa y refrigeración.
• Retrodirigibilidad e inercia reflejada: torque externo mínimo para retrodirigir a baja velocidad; informe inercia reflejada y fricción de Coulomb/viscosa por separado.
• Eficiencia de regeneración: fracción de energía mecánica recuperable devuelta a la barra de CC durante fases de trabajo negativo (por ejemplo, impacto del talón, cuesta abajo, frenado), teniendo en cuenta la aceptación del inversor y la batería.
• Desclasificación térmica y límites de ciclo de trabajo: envolventes de torque-tiempo, constantes de tiempo de aumento de temperatura y protecciones del controlador en condiciones ambientales especificadas.
• Ruido acústico y mantenimiento: SPL ponderado A a 1 m para tareas representativas; cualquier intervalo de lubricación/inspección divulgado y elementos de desgaste conocidos.

Reglas de normalización

• Ambiente: 20 ± 2 °C de temperatura ambiente, 40–60% de humedad relativa, aire quieto (0.1–0.3 m/s).
• Velocidades: caminar nivelado a 0.5, 1.0, 1.5 m/s; correr a 2.5 m/s donde esté soportado.
• Pendientes: ±5° y ±10° (o escaleras estandarizadas con alza/paso especificadas).
• Superficies: módulos duros, irregulares y conformes de geometría conocida.
• Cargas: 0, 10, y 20 kg, con accesorios estándar montados en el pecho.
• Informe tanto valores brutos como métricas normalizadas.

¿Por qué este enfoque? Porque las arquitecturas de actuadores se comportan de manera diferente en el espacio de velocidad-torque-temperatura. El giro cuasi-directo de baja razón y el giro directo enfatizan la transparencia, baja fricción y regeneración efectiva; los engranajes de onda de deformación de alta razón intercambian compacidad y precisión por fricción e histeresis que penalizan la eficiencia a baja velocidad y la recuperación de energía. Las transmisiones cicloidales a menudo se ubican entre estos polos con eficiencia robusta y tolerancia al choque. Las opciones en electrónica de potencia también importan: los inversores GaN a 48–100 V pueden reducir considerablemente las pérdidas de conmutación y mejorar la suavidad del control de carga parcial, mientras que los dispositivos SiC suelen brillar a voltajes de barra de CC más altos.

Una línea clara entre “comparable” y “no comparable” ayuda a mantener los resultados honestos:

Categoría	Comparable cuando…	No comparable cuando…
Mapas de eficiencia	Informados como η_joint(τ, ω, T) a temperaturas y ciclos de trabajo declarados	Agregado en un solo número sin contexto de velocidad-torque
COT	Normalizado por masa total, velocidad, pendiente, superficie; estado estable vs transitorio separado	Reportado solo como cambio SOC de batería sin velocidad/carga/ambiente
Regeneración	Energía devuelta a la barra de CC y aceptación de batería divulgada	Afirmado cualitativamente sin contabilidad del lado de barra
Límites térmicos	Curvas de torque-tiempo y aumento de temperatura a condiciones ambientales declaradas	“Torque continuo” declarado sin contexto ambiental y de refrigeración
Configuraciones de control	Modos del controlador, rangos de ganancias/ancho de banda, umbrales de regeneración publicados	Controlador cerrado con políticas no divulgadas

Los materiales públicos de humanoides líderes frecuentemente omiten mapas de eficiencia de juntas, COT estandarizados y fracciones de regeneración, precisamente por lo que se necesita un protocolo compartido. Esta metodología llena ese vacío especificando qué medir, cómo medirlo y cómo publicarlo para que otros colegas puedan reproducir y comparar.

Instrumentación, calibración y controles ambientales

La fidelidad de tus resultados está limitada por tus sensores y la disciplina de calibración. Trata la potencia, torque, velocidad y temperatura como mediciones de primera clase.

Pila de medición (sincrónica, de baja latencia)

• Potencia eléctrica: Mide voltaje y corriente de barra de CC a alta tasa (≥5 kHz) por grupo de actuadores, sincronizado con telemetría de inversores por junta. Valida corrientes informadas por inversor contra derivaciones o sondas calibradas.
• Movimiento: Captura posición/velocidad de juntas de alta resolución (encoders de ≥16 bits). Alinea temporalmente todas las señales.
• Torque: Prefiere sensores de torque en línea donde sea factible. Si utilizas modelos corriente-torque, calibra con pruebas de banco y caracteriza la eficiencia de transmisión.
• Térmico: Registra temperaturas de bobinado de motores, temperaturas de carcasa de transmisión, temperaturas de inversor, más temperatura ambiente y flujo de aire.
• Interacción con el suelo: Utiliza IMUs y placas de fuerza en el suelo o plantillas instrumentadas para segmentar la marcha e identificar fases de trabajo negativo.
• Acústica: Adquiere SPL ponderado A a 1 m en ambiente controlado durante tareas representativas.

Calibración e identificación

• Calibración de sensores de torque y comprobaciones de linealidad antes de cada campaña.
• Eléctrico: Valida instrumentación de voltaje/corriente; documenta incertidumbre.
• Fricción e inercia: Realiza pruebas de retrodirigir, más excitación chirp/PRBS para identificar términos de Coulomb/viscosos e inercia reflejada.
• Térmico: Establece constantes de tiempo de aumento de temperatura para motores/transmisiones a cargas representativas.

Controles ambientales y normalización

• Mantén 20 ± 2 °C, 40–60% RH, aire quieto (0.1–0.3 m/s). Especifica calzado y cumplimiento del pie.
• Publica masa del robot y propiedades inerciales; documenta masa de carga, posición e inercia.
• Repite un subconjunto de pruebas a 30 °C para exponer diferencias de desclasificación térmica.

Errores comunes de instrumentación a evitar

• Medir energía solo en los terminales de la batería sin granularidad de barra de CC.
• Confiar en telemetría de inversor no validada para corriente/torque.
• Omitir condiciones ambientales y flujo de aire, lo cual socava comparaciones térmicas.
• Negligencia de transitorios de arranque/detención, que alteran COT a distancias cortas.

Conjunto estandarizado de tareas y divulgaciones de control

El comportamiento energético depende de la tarea. El conjunto a continuación captura marchas estables, transitorios, impactos, trabajo negativo, y torques altos cuasi-estáticos, cada uno revelando diferentes aspectos de eficiencia, regeneración y comportamiento térmico.

Conjunto estandarizado de tareas

• Caminar a nivel: 0.5, 1.0, 1.5 m/s durante al menos 200 m cada uno, con ventanas de estado estable de ≥60 s. Incluye pruebas de inicio/detención por separado para aislar costos transitorios.
• Correr: 2.5 m/s durante 200 m donde sea soportado.
• Pendientes/escaleras: Ascender/descender escaleras estandarizadas (alza/paso especificado) o pendientes de 10°, tres ciclos cada uno.
• Terreno irregular/suave: Pisos irregulares estilo EUROBENCH y alfombrillas conformes durante 60 m a 1.0 m/s.
• Recuperación ante empujes: Impulsos laterales y sagitales estandarizados durante caminata a 1.0 m/s y postura en sitio.
• Sentadillas: 10 repeticiones a profundidad y cadencia especificadas, más sostén estático al 50% y 80% del torque de rodilla continuo nominal durante 30 s.
• Cargas: Repite caminata a 1.0 m/s y escaleras con cargas montadas en el pecho de 10 kg y 20 kg usando accesorios estandarizados.

Divulgaciones de control que deben acompañar los resultados

• Modos del controlador: Control de posición, torque, y/o impedancia; detalla rangos de ganancia y anchos de banda.
• Política de regeneración: Indica si la regeneración está habilitada, incluyendo umbrales de voltaje de barra de CC, límites de corriente y estrategias de frenado durante fases de desaceleración o bajada.
• Elasticidad en serie: Para diseños SEA, publica parámetros de resorte y ubicación; nota cualquier política de almacenamiento de energía en tareas cíclicas.
• Electrónica de potencia: Divulga voltaje de barra de CC y si se usan dispositivos GaN o SiC en la etapa del inversor, ya que la elección del dispositivo afecta las pérdidas de conmutación, la eficiencia con carga parcial, y el comportamiento de la regeneración.

¿Por qué estas divulgaciones? Las juntas QDD y DD de baja razón generalmente exhiben menor fricción e inercia reflejada, mejorando la eficiencia energética, el rechazo de perturbaciones, y la regeneración en tareas dinámicas. Los engranajes de onda de deformación de alta razón entregan precisión compacta pero elevan fricción e histeresis que penalizan la eficiencia a baja velocidad y recuperación de energía. Las transmisiones cicloidales ofrecen típicamente una eficiencia robusta y tolerancia al choque. SEA puede almacenar/devolver energía cuando está bien afinado, pero configuraciones demasiado blandas pueden desperdiciar energía o limitar el ancho de banda. Los inversores basados en GaN a voltajes de barra típicos de humanoides reducen las pérdidas de conmutación y permiten frecuencias PWM más altas para un torque más suave y mejor eficiencia con carga parcial, mientras que SiC se vuelve atractivo a voltajes más altos que no se usan comúnmente en humanoides actuales de 48–100 V.

Productos de datos, formatos de archivo, incertidumbre, validación y plantillas de publicación

Los resultados deben ser reproducibles y re-analizables. Publica registros sincrónicos en bruto y la cadena completa de métricas derivadas, con incertidumbres y scripts de procesamiento.

Productos de datos mínimos

• Mapas de eficiencia por junta: η_joint(τ, ω, T) de pruebas de banco, validados in situ durante tareas. Incluye parámetros de fricción y retrodirigibilidad.
• COT a nivel de sistema: Por tarea y velocidad, con desgloses de inicio/estado/desaceleración normalizado por masa total.
• Fracciones de regeneración: Energía devuelta a la barra de CC y la reducción resultante en consumo de energía del lado de la batería durante fases de trabajo negativo; incluye límites de aceptación de inversor y batería.
• Densidad de torque/potencia: Figuras máximas y continuas del módulo actuador a límites térmicos definidos.
• Desclasificación térmica: Curvas de torque-temperatura y tiempo al límite a condiciones ambientales especificadas.
• Espectros acústicos: SPL ponderado A y espectros durante caminata estable a 1.0 m/s y sostén en sentadillas.
• Contexto operativo: Histogramas de torque-velocidad por tarea para mostrar qué regiones del mapa de eficiencia fueron ejercitadas.

Formatos de archivo abiertos y artefactos

Artefacto	Contenidos requeridos	Formatos preferidos
Registros en bruto (sincrónicos)	Corrientes/voltajes por junta, V/I de barra de CC, posiciones/velocidades, temperaturas, IMU, fuerza/presión, SPL	ROS bag, HDF5
Archivos de calibración	Calibraciones de sensores, mapas corriente-torque, calibración térmica	YAML/JSON + PDFs
Métricas derivadas	COT por segmento, fracciones de regeneración, mapas de eficiencia, parámetros de fricción	CSV/HDF5 + gráficos (PNG/SVG)
Scripts de procesamiento	Análisis de datos y computación, con versiones fijas	Repositorio abierto (e.g., con README)

Incertidumbre y validación

• Cuantifica incertidumbres para potencia eléctrica, torque, velocidad, temperatura, SPL. Informa métodos (e.g., calibración de derivación, trazabilidad de sensor de torque).
• Valida mapas de eficiencia medidos en banco in situ: compara energía de barra predicha a partir de torques/velocidades de junta con energía medida de barra de CC durante segmentos estables.
• Repetibilidad: Al menos, tres repeticiones por condición de tarea; publica media y varianza para COT y fracciones de regeneración.
• Reproducibilidad: Donde sea posible, valida cruzadamente en módulos estilo EUROBENCH y sigue documentación de método NIST/ASTM para que otros laboratorios puedan replicar.

Plantilla de publicación y criterios de aceptación

Secciones requeridas para un paquete completo y publicable:

• Resumen ejecutivo: Lo que se midió, bajo qué condiciones, y los resultados principales para COT, regeneración y desclasificación.
• Divulgación de robot y actuadores: Motores, transmisiones (tipo y razón), parámetros SEA, topología de inversor/dispositivo (GaN/SiC) y voltaje de barra de CC, contexto de diseño térmico.
• Condiciones ambientales: Temperatura ambiente, RH, flujo de aire; calzado; módulos de superficie.
• Instrumentación y calibración: Sensores utilizados, tasas, sincronización, archivos de calibración e incertidumbres.
• Configuración del conjunto de tareas: Distancias, velocidades, pendientes/escaleras, definiciones de cargas, impulsos para recuperación ante empujes, protocolos de sentadillas.
• Política de control y regeneración: Modos del controlador, rangos de ganancias/ancho de banda, umbrales y límites de regeneración.
• Resultados: Mapas de eficiencia por junta; COT por tarea (inicio/estado/desaceleración); fracciones de regeneración; curvas de desclasificación térmica; espectros acústicos; histogramas de torque-velocidad.
• Liberación de datos: Enlaces a registros ROS bag/HDF5, archivos de calibración, paquetes de métricas derivadas, y scripts de procesamiento.
• Validación: Verificaciones cruzadas en banco vs in situ, repeticiones, y propagación de incertidumbre.
• Desviaciones: Cualquier desviación del protocolo (y justificación), con análisis de sensibilidad donde sea posible.

Criterios de aceptación para comparación homogénea:

• Todos los productos de datos mínimos presentes, con incertidumbres y artefactos de calibración.
• Reglas de normalización seguidas (ambiente, velocidades, pendientes, superficies, cargas), o desviaciones claramente divulgadas.
• Medidas de energía a nivel de barra de CC y contabilidad de regeneración incluidas.
• Políticas de controlador y regeneración divulgadas con umbrales y límites.
• Repetibilidad demostrada; ventanas de estado estable identificadas y separadas de transitorios.

Errores comunes que invalidan comparaciones

• Informar solo deltas de SOC de batería sin granularidad de barra de CC o contexto ambiental.
• Publicar “eficiencia” resumida sin mapas de velocidad-torque-temperatura.
• Omitir divulgaciones de controlador/regeneración; las políticas pueden mover drásticamente el COT y las fracciones de regeneración.
• Ignorar caracterización de fricción; la división Coulomb vs viscosa importa para tareas de baja velocidad.
• No hay curvas de desclasificación térmica; “torque continuo” no tiene sentido sin contexto ambiental y de refrigeración.
• Mezclar resultados con y sin carga sin una normalización adecuada.

Unificándolo todo

• Contexto de arquitectura de actuadores: Resume las elecciones de transmisión y motor porque dan forma a los mecanismos de pérdida y potencial de regeneración. Los QDD/DD de baja razón típicamente entregan mejor transparencia y regeneración; los engranajes de onda de deformación priorizan la compacidad pero sufren costos de fricción/histeresis; las transmisiones cicloidales intercambian masa/volumen por eficiencia robusta y tolerancia al choque; SEA puede almacenar/devolver energía cuando están bien afinados.
• Divulgaciones de electrónica de potencia: Indica si los inversores usan GaN a 48–100 V (frecuentemente mejorando la eficiencia con carga parcial y la suavidad de torque) o SiC a voltajes más altos, ya que esto afecta las pérdidas eléctricas medidas y la aceptación de regeneración.
• Alineación con bancos de pruebas compartidos: Donde estén disponibles, usa módulos EUROBENCH y documentación de método estilo NIST/ASTM para que otros puedan replicar tu configuración y análisis. 🧪

Conclusión

La energía es el destino para los humanoides. Sin mediciones disciplinadas, resueltas por juntas y tareas estandarizadas, las afirmaciones de eficiencia permanecen anecdóticas. Un protocolo claro—qué medir, cómo normalizar, qué publicar—convierte demostraciones en datos y comparaciones en ingeniería.

Puntos clave

• Publica mapas de eficiencia por junta η_joint(τ, ω, T) con fricción/retrodirigibilidad y contexto térmico.
• Informa COT por tarea y segmento, normalizado por masa total, velocidad, pendiente, superficie, y carga.
• Mide la regeneración en la barra de CC y divulga políticas de aceptación de inversor/batería y frenado.
• Configuraciones de control, parámetros SEA y elecciones de dispositivos de inversor (GaN/SiC) son parte de los datos, no trivialidades de implementación.
• Libera registros en bruto (ROS bag/HDF5), archivos de calibración, scripts de procesamiento e incertidumbres para que otros puedan reproducir resultados.

Siguientes pasos para los profesionales

• Instrumenta a nivel de barra de CC y valida calibraciones de torque/corriente.
• Adopta el conjunto de tareas estandarizado y controles ambientales; re-realiza un subconjunto a 30 °C para exponer desclasificación térmica.
• Construye y publica mapas de eficiencia, COT, fracciones de regeneración, y curvas térmicas con presupuestos de incertidumbre.
• Alíneate con módulos EUROBENCH y documentación de método estilo NIST/ASTM para repetibilidad y reproducibilidad.

Mirando al futuro, las organizaciones que cumplan con estos estándares de publicación habilitarán la selección basada en evidencia de actuadores, transmisiones y controles. Eso, a su vez, acelerará el avance hacia una movilidad humanoide eficiente, confiable y segura, medida de la misma manera, en todas partes.

Fuentes y Referencias