Electrónica del robot humanoide

En este robot conviven dos mundos que no se prestan corriente. El raíl de potencia es el positivo de los servos: sale del pack, pasa por el fusible y por los interruptores, y llega gordo a cada articulación. El raíl de lógica es lo que come la placa, la IMU, el reloj del conversor de las células de carga y los pull-ups. Ese segundo raíl es de 3,3 V casi siempre, y a veces hay además un 5 V para una placa que lo pida o para el pulso de un servo viejo. Son reguladores distintos. Comparten masa, y la comparten en un solo punto.

Nunca alimentes un servo desde el regulador de 5 V de un Arduino o de un ESP. En un Uno ese camino ronda medio amperio entre el USB y el regulador de la placa, y se calienta antes de llegar. Un servo pequeño en bloqueo pide del orden de un amperio, y uno mediano bastante más: el número exacto está en la hoja de ese servo, no en esta página. Si el servo tira de ese pin, la tensión de 5 V se hunde, la placa se reinicia y el pulso siguiente sale a medias. Parece un fallo de programa. Es un fallo de raíl.

La tensión de la lógica, en este taller, es 3,3 V. La señal de un servo de hobby clásico suele ser un pulso pensado en torno a 5 V, aunque muchos aceptan 3,3 V como nivel alto: lo confirma la hoja, no una costumbre. El pack es 2S, 7,4 V nominales y 8,4 V lleno, o 3S, 11,1 V nominales y 12,6 V lleno, según el servo que hayas elegido. No mezcles un servo de 7,4 V con un pack de 3S. Lleno, ese pack está en 12,6 V, y el variador interno del servo no perdona el exceso aunque en vacío parezca que gira.

El presupuesto de corriente se hace en dos cifras y se queda la peor. La de reposo o de marcha suave sirve para estimar minutos de batería. La de pico, cuando varios servos de pierna se plantan a la vez y se quedan en bloqueo, es la que elige el fusible, la sección del tronco y el tamaño del repartidor. Sumar medias y poner un fusible un poco por encima es cómo se funde el cable antes que el fusible, o cómo se cae el robot con el fusible entero.

Cerca de cada chip de lógica va un condensador de desacoplo, cerámico, del orden de 100 nF, con las patas cortas. En la salida del buck de lógica, un electrolítico o un polímero de varias decenas o unos cientos de microfaradios, tensión holgada respecto a la salida. Son órdenes de magnitud de taller, no el valor calculado de tu buck: si la hoja del regulador pide otra red, manda la hoja. En el raíl de servos, junto al repartidor, un condensador gordo de tensión superior al pack lleno ayuda a los picos cortos. En un 3S, 16 V se queda corto de margen; 25 V es la elección tranquila. No sustituye al cable ni al fusible.

Las piernas tienen cable largo. La caída es corriente por resistencia del ida y del vuelta. Un 20 AWG anda por 33 ohmios por kilómetro de cobre, cifra orientativa de taller. Medio metro entre ida y vuelta son unos 0,016 ohmios. A 2 A de un servo bloqueado caes unas decenas de milivoltios: en un solo servo, a veces ni se nota. En el tronco, si metes 12 A de un pico de ejemplo por un cable fino y largo, la caída pasa de medio voltio, el servo pierde fuerza y la lógica, si la colgaste de esa misma línea, se reinicia. Por eso el tronco es corto y grueso, y la lógica sale de su propio buck, no de un empalme a mitad de la pierna.

La masa va en estrella. El negativo de la batería llega a un punto, el del repartidor o un borne junto al pack. De ahí sale la masa de potencia de cada rama y, con su propio cable, la masa del buck de lógica. No devuelvas la masa de los servos atravesando la placa. No unas la masa del USB del ordenador y la del pack en dos sitios a la vez si puedes evitarlo: ese bucle mete el ruido del motor en la IMU. Señal y potencia se tocan una vez. Si mides continuidad de masa por todos lados y además ves saltos en el sensor cuando la pierna carga, tienes un bucle o una masa floja, no un filtro mal escrito.

El humanoide de este tamaño suele ir en litio porque el peso va en el tronco y los servos piden picos cortos y altos. Una LiPo de aeromodelismo da mucha corriente para su masa. Un pack de celdas 18650, si las celdas son de alta descarga y llevan BMS, también sirve y se maltrata menos con los golpes, a cambio de más volumen. El NiMH, celda de 1,2 V nominales, es más benévolo si lo cortocircuitas un instante y no se embala como el litio, pero pesa más para la misma energía y se viene abajo de golpe al final de la descarga. Por eso aquí el camino normal es litio, y por eso esta sección es sobre todo una lista de lo que el litio no perdona.

Una celda de LiPo, en números de dominio público que usa cualquier cargador de balance: nominal 3,7 V, llena 4,20 V, almacenamiento en torno a 3,8 V por celda. En reposo no la dejes bajar de unos 3,5 V si quieres que dure, y no la lleves nunca a 3,0 V. Esos 3,0 V ya son daño, no un poco más de autonomía. Un pack 2S suma: 7,4 V nominales, 8,4 V lleno, almacenamiento cerca de 7,6 V, corte práctico de reposo cerca de 7,0 V, y nunca 6,0 V. Un 3S: 11,1 V, 12,6 V, almacenamiento cerca de 11,4 V, corte práctico cerca de 10,5 V, nunca 9,0 V. Bajo carga la tensión cae por la resistencia interna: el corte de marcha se mira en reposo o con margen, no en el instante del bloqueo, o pararás cada paso.

Muchas 18650 de Li-ion traen en la etiqueta 3,6 V nominales y las mismas 4,20 V llenas. El criterio de no bajar de unos 3,5 V en reposo, y jamás de 3,0 V, se mantiene. La corriente continua de una 18650 depende de la celda: unas dan pocos amperios y otras, de alta descarga, bastante más. No copies el índice C de una LiPo de hobby a un pack casero de 18650. Léelo en la hoja de esa celda y júntalo con el pico de los servos.

El BMS vigila sobrecarga, sobredescarga, sobrecorriente, cortocircuito y, si es de los que equilibran, la diferencia entre celdas. El umbral exacto de corte, en voltios y en amperios, está en la ficha de ese BMS. Muchos cortan la sobredescarga cerca del fondo, a veces en torno a 2,5 o 3,0 V por celda, que es tarde para la salud de la celda. Por eso el robot deja de andar antes, cerca de 3,5 V por celda en reposo, y el BMS queda como última red, no como medidor de marcha. Un pack sin BMS, o sin un cargador que balancee, no entra en el robot. Soldarlo por ahora y equilibrar a ojo es cómo una celda se va a 4,3 V mientras la otra parece normal.

La capacidad se estima, no se copia de un anuncio. En vatios: potencia media de los servos mientras anda, por las horas que quieras, partido por la tensión del pack, da amperios-hora. Luego no uses el pack hasta vacío: quédate en torno al 70 u 80 por ciento de esa cifra como energía útil, y súmale margen porque la media medida en la mesa es más baja que la media con el robot en los brazos. Ejemplo de taller, supuesto y no ficha de producto: diez servos a 2 W medios son 20 W. Doce minutos son 0,2 h. Energía 4 Wh. En 3S a 11,1 V salen unos 0,36 Ah. Usando solo un 75 por ciento, el pack del ejemplo anda por el medio amperio-hora. Si tus servos no son de 2 W medios, el ejemplo no te sirve: mide. El pico, aparte, puede ser de muchos amperios aunque la capacidad sea pequeña. Capacidad y corriente de descarga son dos números.

El conector de potencia, en este tamaño, es XT30 o XT60. Orientativo de taller: XT30 cuando la corriente continua del pack se queda en el orden de 15 A o menos; XT60 cuando el fusible o el pico sostenido ya piden más. La ficha del conector manda, y un XT60 a medio insertar calienta igual que uno pequeño. El cable de balance va aparte, con su conector de varias vías. En 2S son tres contactos, en 3S cuatro: uno más que el número de celdas. No lo uses como positivo de potencia. La polaridad se pinta en el cuerpo del conector y se mira dos veces. Los clones no traen siempre el rojo en el mismo lado. Nunca inviertas el pack.

Se carga con un cargador de balance, fuera del robot, dentro de una bolsa ignífuga, a la vista, encima de una mesa que no prenda. No se carga dentro del robot cerrado ni debajo de una silla. Si el robot no se va a usar en semanas, se deja en tensión de almacenamiento, cerca de 3,8 V por celda, no lleno y no vacío. Un pack lleno y olvidado en verano envejece e hincha.

Si el pack hincha, se calienta solo o huele dulce, se para y se saca. No se pincha, no se aplasta para que vuelva a entrar, no se carga a ver si se recupera. Se deja en un sitio no inflamable, lejos de otros packs, y se da de baja. Un LiPo hinchado no es un pack de menos capacidad: es un pack que ya no tiene junta.

Un humanoide de hobby mueve las articulaciones con servos, no con un puente en H por junta. El driver, aquí, es quien traduce la orden de la placa de tiempo real al servo, y quien aguanta la corriente de bloqueo. Hay dos familias grandes. El servo PWM de hobby escucha un pulso en un hilo propio. El servo de bus serie escucha en un par, o en un hilo, compartido por toda la cadena, y la alimentación le llega en paralelo. Dynamixel parte esa segunda familia en dos electricidades distintas: TTL y RS-485. El puente en H y el MOSFET suelto solo entran si de verdad hay un motor de continua o un solenoide, por ejemplo un pestillo, no la rodilla.

La corriente de bloqueo es la de diseño del driver y del cable. La corriente mientras se mueve suave en el aire es un dato de curiosidad. Cuando el pie no puede más y el servo sigue empujando, circula la de bloqueo, la de la hoja. Si esa cifra no aparece, se mide una vez, con el servo fuera de la pierna, y se anota. No se pone un driver de un amperio porque el movimiento de demostración gastaba poco.

El paso de nivel importa en cuanto la placa es de 3,3 V, que es el caso del ESP32 y de muchas placas nuevas. Meter 5 V en un pin de 3,3 V lo puede matar: el máximo absoluto suele estar unas décimas por encima de la alimentación del pin, y 5 V se pasa. Una resistencia en serie no convierte 5 V en 3,3 V de forma fiable. Hace falta un desplazador, o una placa que ya lo traiga y cuya hoja lo diga. Al revés, un pulso de 3,3 V hacia un servo viejo puede quedarse corto si ese servo quiere un nivel alto de 5 V. Si el servo no se mueve y la alimentación está bien, se mira el nivel antes de culpar al temporizador.

Tres cosas se cablean en el cuerpo, y las tres se quedan en la electricidad. La IMU dice cómo está orientado el tronco. Los sensores del pie dicen si esa planta apoya y cómo se reparte el peso entre puntos. El encoder dice el ángulo de la junta. Qué hacer con eso para no caerse, el filtro, el ZMP y el lazo, es Control. Aquí: qué hilos, a qué tensión, y qué ruido del propio robot los vuelve inútiles.

Va en el tronco porque el tronco es quien define la vertical del robot. El filtro complementario o Madgwick, y cualquier fusión, no se explica en esta página. Lo que sí: casi siempre habla I2C a 3,3 V. Ejemplos reales de pieza, no un inventario: el MPU-6050, viejo y aún en cajones, direcciones 0x68 o 0x69 según el pin AD0; el ICM-42688 y el BMI270 como generación más nueva, I2C o SPI según cómo se cablee la placa. La dirección fina y el mapa de registros están en la hoja de la pieza. Si hace falta el módulo de placas, está en el catálogo de Arduino. Aquí solo importa que no compartan el raíl ruidoso de los servos.

Los pull-ups del I2C van a 3,3 V. En muchas placas ya vienen, del orden de 4,7 kiloohmios. Dos módulos con pull-ups fuertes en paralelo se quedan cortos de resistencia y el flanco se estropea: si montas dos, mira si hay que quitar un juego. El cable, corto, mejor trenzado, por debajo de unas pocas decenas de centímetros. Cien kilohercios es la velocidad tranquila si el mazo pasa cerca de potencia; subir solo cuando el tramo es limpio. La alimentación sale del buck de lógica, con el cerámico de 100 nF en la placa del sensor si no lo trae.

Sujeción rígida al tronco. Si la placa baila con cinta sobre un cable, la medida es la cinta, no el robot. Los ejes se marcan y se confirman con la pieza en la mano: el convenio de esta página es X adelante, Y a la izquierda, Z arriba, y hay piezas que traen el dibujo de la serigrafía al revés o girado. Lejos del imán de un encoder magnético si la IMU lleva magnetómetro. El MPU-6050 no lleva; otras sí. Un imán de junta al lado del magnetómetro lo clava. Aunque no uses la brújula para andar, no la dejes saturada por si acaso.

El pie tiene que decir dos cosas modestas: si está apoyado, y cómo se reparte el peso entre zonas de la planta. Con eso, Control puede hablar de ZMP. Esta página no calcula el ZMP. Electrónicamente hay tres vías reales. La FSR en un divisor resistivo es barata y no es una báscula: vale para saber que hay contacto y, mal que bien, si carga más la punta o el talón. La célula de carga con HX711 mide de verdad en el eje de la célula, a cambio de un puente, reloj, datos y una excitación limpia. Cuatro puntos por planta, punta interior, punta exterior, talón interior y talón exterior, son los que convierten un hay peso en un apoyo que sirve.

El HX711 no se sienta al lado del buck de los servos. Su masa no comparte retorno con el pico de la rodilla. El par de la célula va trenzado. Si la placa del HX711 trabaja a 5 V y saca el dato a 5 V, no entra directa a un pin de 3,3 V: o la placa es de 3,3 V, o desplazas el dato. El reloj lo genera la placa de tiempo real. No hace falta un reloj de cristal de laboratorio para que la electricidad sea válida, pero sí hace falta no alargar ese par pierna arriba junto al positivo gordo más de lo inevitable.

Muchos servos de bus ya traen el encoder magnético dentro, un AS5600 o un equivalente que no vas a ver. La posición sale por el mismo bus por el que mandas el ángulo. No añadas otro encoder en esa junta salvo que Diseño lo pida, por ejemplo en un eje pasivo que el servo no ve. Dos medidas del mismo eje que no coinciden no hacen el robot más preciso: hacen una discusión.

Si el encoder es externo, hay dos electricidades. El incremental en cuadratura saca A y B, y a veces un índice Z, un pulso por vuelta. Se cuentan flancos. El absoluto, I2C o SPI, y el AS5600 es el ejemplo de taller, dice el ángulo sin contar desde un cero. Los dos quieren cable corto, trenzado, pull-ups si la salida es abierta, y alimentación a 3,3 V o a 5 V según la pieza, no según el servo de al lado.

El lazo de posición no se explica aquí. Sí se explica el pulso perdido: un cable que roza en la rodilla se pela, hace contacto un instante y el incremental se deja una cuenta. Esa cuenta no vuelve sola. El cable va con holgura en el eje, funda en el roce, y brida que no muerda. Un absoluto se pierde menos por un golpe de ruido, y se pierde igual si le cortas el I2C en la flexión máxima.

El cable de este robot es corto, pero trabaja doblándose. La sección se elige por corriente de pico y por caída, no por el rollo que había en el cajón. La tabla de abajo es orientativa de taller para tramos de menos de 30 cm. No es una norma UNE, no vale para una pared, y no sustituye la corriente de bloqueo de tu servo. Si el tramo es más largo, se sube sección o se acepta la caída medida, no se discute con la tabla.

El color se elige una vez y se mantiene en todo el robot. Rojo, potencia. Negro, masa. Amarillo o blanco, señal de PWM o línea suelta de sensor. El bus de datos, par trenzado, y si hace falta marcar, una cinta, no un rojo. El mismo rojo no puede significar positivo de pack en el tronco y canal A del encoder en la pierna. Quien herede el robot a oscuras tiene que poder seguir el positivo sin un esquema en la otra mano.

El recorrido deja holgura en la cadera, en la rodilla y en el tobillo. El cable pasa por el eje de giro o hace un bucle de servicio. Nunca va tenso en la extensión máxima: si en la mesa, con la pierna estirada del todo, el cable ya tira, en el primer paso se pela o arranca el conector. Las bridas no muerden. Si al cerrar la brida el aislante se aplasta, está mal, aunque quede bonito. Donde haya roce con un canto, funda, no cinta que se corre.

Potencia y señal no viajan en paralelo y pegados. Si tienen que cruzarse, se cruzan a 90 grados. El par de la célula y el I2C no se enrollan en el positivo del servo para que quede un solo mazo. Un mazo único es cómodo y es una antena. Dos mazos, con la masa de señal volviendo junto a su señal, hacen menos daño.

La arquitectura de este robot es corta. Una placa de tiempo real, un Arduino o un ESP32, habla con los servos, con la IMU y con los pies a un ritmo fijo que ella misma sostiene. Las fichas de cada placa, pinout y precios están en el módulo de hardware de Arduino y en el de Raspberry; aquí no se repiten. Esta página solo dice qué papel tiene cada una.

El catálogo de placas de la familia Arduino, y las placas del mismo cajón que se usan como ella, está en el hardware de Arduino. El de la placa mayor está en el hardware de Raspberry. Si falta un pin o una tensión de regulador, se mira allí, no se inventa aquí.

Una placa mayor, una Raspberry Pi, entra solo si hace falta visión o un plan largo. No es obligatoria para un humanoide que solo anda. Si no hay cámara y no hay un plan que dure más que un paso, la placa de tiempo real se basta. Poner la Pi porque queda seria añade un USB que se puede caer y una masa más que tiene que volver a la estrella.

Entre ellas, si las dos están, hay un USB o un UART, y hay masa común. La masa del USB no es una segunda estrella: se entiende de dónde entra y se evita el bucle con el pack. La placa de tiempo real no espera a la grande para sostener el servo. Si el enlace se calla, ella sigue con la última orden segura que ya tenía, o quita el par. Esa política se escribe en Control. Aquí importa que el cable USB no forme parte del circuito que aguanta la corriente ni el pulso del servo.

Una sola fuente manda el reloj de los servos. O la placa de tiempo real genera los PWM, o es dueña del bus semidúplex, o manda el I2C del generador externo. No dos placas dando PWM al mismo servo. No dos maestros en el mismo bus de datos. La Pi, si existe, pide posiciones a la placa pequeña o le entrega un objetivo; no le roba el temporizador.

Una LiPo arde cuando se le pide lo que no sabe hacer: sobrecorriente, sobrecarga por encima de 4,20 V por celda, perforación, aplastamiento, o un cable pelado que cierra el pack en corto. No hace falta un gran teatro. Basta un positivo que roce el canto de aluminio de la cadera, o un balance pinchado por una brida. Las reglas de este taller son cortas. Pack con BMS. Fusible fundible en el positivo, pegado a la batería. Carga fuera, a la vista, en bolsa ignífuga. Nada de pinchar un hinchado. Nada de dejar el pack cargando solo en la habitación. Si huele dulce, se para.

El fusible se calcula por encima del pico normal y por debajo de lo que aguanta el cable. Ejemplo de taller, no una norma y no una pieza del robot: pico que esperas de 12 A, tronco en 16 AWG que en tramo corto vive holgado respecto a eso, fusible de 15 A. Si tus hojas suman otro pico, el 15 A no se copia. El fusible no protege la placa en abstracto: protege el cable del pack. Va en el positivo, lo bastante cerca del pack como para que un corto aguas abajo pase por él. Un interruptor general corta la potencia de los servos y, si quieres, toda la potencia. Además está el corte de emergencia, que es otro mando.

El corte de emergencia es un pulsador o un interruptor físico, accesible con el robot en el suelo, sin abrir tapas. Quita la potencia de los motores aunque la lógica siga un segundo. Cortar solo la lógica deja el positivo de los servos vivo. Un PWM que se queda a medias, un pin que flota al reiniciar, o un servo de bus que conserva el último objetivo con el par puesto, mantienen la junta dura o la hacen saltar. Sin positivo de motor, el servo deja de empujar. Puede seguir duro de engranajes, eso es mecánica, pero ya no recibe orden ni corriente de bloqueo. Por eso el corte va en el raíl de servos, no en el botón de reset de la placa.

El corte por tensión baja lo hace el BMS o la placa, y lo hace antes de matar la celda. Número orientativo: no mandes marcha por debajo de unos 3,5 V por celda en reposo. En 2S, unos 7,0 V. En 3S, unos 10,5 V. Bajo carga verás menos: no uses el bache de un bloqueo como alarma, o pararás cada paso, ni uses el corte de emergencia del BMS, a menudo cerca de 3,0 V o por debajo, como si fuera el nivel de trabajo. El BMS salva la celda de la muerte. El corte de marcha salva la vida útil. Hacen falta los dos.

Mientras se cablea, la batería está desconectada. No un momento con el conector puesto. La primera prueba de un servo es sin la pierna armada, sujeto, con sitio para un giro completo. Un servo nuevo puede irse a un tope que en la articulación arranca el cuerno o el cable. Se prueba uno, se ve el sentido, se limita el recorrido, y solo después se monta.

El buck, el BMS y el driver se tocan, con cuidado, después de un rato de trabajo. Si no se puede dejar el dedo, está mal dimensionado o mal refrigerado. Un buck de lógica que quema con la IMU y la placa no es un buck de lógica: está alimentando algo que no debe, o es demasiado justo. Se apaga, se mide, se cambia. No se le pega un ventilador para seguir.