Comparativa práctica de servos inteligentes de bus serie para robótica

Los servos inteligentes de bus serie se han convertido en una opción habitual para proyectos de robótica DIY asequibles, incluyendo brazos robóticos, perros robóticos y mecanismos compactos similares. Integran motor, reductora, encoder, controlador e interfaz serie en un único conjunto, lo que facilita mucho su integración frente a un motor independiente con controlador externo.

Existe una variedad considerable de modelos disponibles, pero las hojas de datos no siempre responden a las preguntas que importan una vez que el servo está instalado en un mecanismo real. Los valores nominales de par, velocidad y corriente publicados son un punto de partida útil, pero no describen completamente el consumo energético, el aumento de temperatura bajo carga, el comportamiento cerca del par nominal ni el tiempo que el servo puede mantener un par constante sin sobrecalentarse o apagarse.

Para esta comparativa, probamos cinco modelos populares que cubren tanto opciones de menor coste como opciones de mayor capacidad:

• STS3215
• STS3235
• STS3250
• HLS3930M
• HLS3950M

El objetivo es evaluar las ventajas e inconvenientes prácticos: par máximo, consumo de corriente, aumento de temperatura bajo carga, comportamiento al par nominal, holgura y detalles constructivos como engranajes de latón frente a acero total y carcasas de plástico frente a metal. También prestamos especial atención al funcionamiento en fuerza constante, ya que la documentación del fabricante no proporciona suficiente detalle para juzgar ese comportamiento solo con la hoja de datos.

Especificaciones comparadas

El principal punto en común es que los cinco servos se basan en el mismo concepto de control: un servo inteligente de bus serie TTL con salida de eje doble, retroalimentación por encoder magnético, control por paquetes digitales y un lazo PID interno. También comparten la misma relación de reducción de 1/345, el mismo límite de holgura declarado de 0,5 grados o menos, el mismo formato de palanca 25T y prácticamente la misma envolvente física. Esto significa que, en principio, pueden considerarse mecánicamente similares al planificar una articulación de robot, al menos desde el exterior.

Las mayores diferencias residen en la clase de par, la construcción, la velocidad y el tipo de motor. STS3215 y STS3235 son las opciones de clase inferior de 30 kg·cm, HLS3930M se sitúa en el rango medio con 35 kg·cm, y STS3250 y HLS3950M son las opciones de la clase de 50 kg·cm. Los modelos más rápidos son STS3250 y HLS3950M, ambos especificados a 75 RPM, mientras que los demás se especifican a 45 RPM. Los modelos de 50 kg·cm también emplean motores sin núcleo, lo que los hace más interesantes para aplicaciones que requieren mayor velocidad y respuesta más enérgica.

La construcción es otra diferencia práctica importante. STS3215 es el servo más ligero y el único de este grupo con carcasa de plástico PA+GF. Además, especifica engranajes de cobre/metal en lugar de acero total. Los otros cuatro servos utilizan carcasas de aluminio y engranajes de acero, por lo que deberían ser mejores candidatos para articulaciones de mayor carga, ciclos de trabajo más exigentes y situaciones en las que la durabilidad de la reductora importa más que ahorrar unos gramos.

Los valores nominales de corriente también muestran que un mayor par no se traduce en un aumento lineal simple de la corriente especificada. STS3250 tiene la corriente de bloqueo especificada más alta con 4,2 A, mientras que HLS3950M figura con 2,4 A a pesar de pertenecer a la misma clase de par de 50 kg·cm. Esa diferencia es una de las razones por las que las pruebas de banco son importantes: los valores de la hoja de datos sugieren que los motores no son simplemente versiones escaladas entre sí, y el consumo de corriente real bajo carga debe medirse directamente.

Las especificaciones del fabricante que se muestran a continuación son útiles para reducir las opciones antes de las pruebas.

Especificaciones por modelo

Especificaciones comunes

Especificación	Valor común
Tamaño	45.22 × 24.72 × 35 mm
Tipo	Servo inteligente de bus serie TTL, eje doble, encoder magnético
Resolución del encoder	Encoder magnético 12-bit; 4096 posiciones, 0,088° por pulso
Tipo de control	Paquete digital, serie asíncrono semidúplex; control PID
Tipo de palanca	25T / OD 5.9 mm
Relación de reducción	1/345
Holgura	≤0.5°
Protecciones	Sobrecarga, sobretensión, sobretemperatura, sobrecorriente

Servos de fuerza constante y retroalimentación de fuerza

En este artículo, un servo de fuerza constante se refiere a un servo inteligente que puede utilizarse como actuador de fuerza controlada, no solo como actuador de posición. En un servo serie pequeño, esto no suele implicar un control de fuerza de grado laboratorial con célula de carga calibrada. Significa que el controlador puede comandar o limitar el esfuerzo del motor, generalmente mediante parámetros relacionados con la corriente o el par, y el mecanismo puede reaccionar frente a la carga en lugar de simplemente desplazarse hacia un ángulo objetivo con la fuerza máxima disponible.

Los motores de la serie STS son principalmente servos de posición con limitación de par. Pueden reducir la salida mediante el ajuste de Torque Limit, lo que ayuda a proteger los mecanismos, pero el modelo de control sigue centrado en comandos de posición. Los servos de la serie HLS son más interesantes para aplicaciones sensibles a la fuerza, ya que el par puede introducirse directamente como parámetro del comando de movimiento y la detección de corriente parece ser mucho más sensible. Esto facilita observar y utilizar en software los pequeños cambios de carga.

Este comportamiento es útil en pinzas, donde el objetivo suele ser cerrar hasta el contacto y luego mantener una fuerza de sujeción controlada en lugar de aplastar el objeto. También es útil en brazos maestros y mangos de enseñanza, donde una persona mueve el mecanismo a mano y el controlador lee la posición, la carga o la resistencia como retroalimentación. En ese papel, el servo no solo mueve una articulación; se convierte en parte del dispositivo de entrada.

Otros ejemplos prácticos incluyen articulaciones de exoesqueletos, ortesis asistivas, mandos hápticos, manijas de teleoperación, manos robóticas, mecanismos de tensado de cables, brazos robóticos conformes, detección de contacto en el efector final, accesorios de prueba con resorte y robots educativos con limitación de seguridad. En estos casos, el comportamiento de fuerza predecible y la retroalimentación de corriente legible pueden importar más que el par de bloqueo máximo posible.

La contrapartida es el calor. Una aplicación de fuerza constante puede mantener el motor energizado incluso cuando el eje de salida apenas se mueve, por lo que la potencia eléctrica se convierte en calor durante la retención. Por eso el consumo de corriente, el aumento de temperatura y el material de la carcasa son centrales en esta comparativa: el comportamiento de control de fuerza solo es útil si el motor, el controlador, la reductora y la carcasa pueden soportar el ciclo de trabajo previsto.

Configuración y métodos de prueba

Cada servo se evaluó con tres pruebas de banco prácticas: una prueba corta de par máximo y corriente máxima, una prueba de aumento de temperatura de dos minutos bajo carga del 50%, y una medición de holgura mientras el servo mantenía la posición. En conjunto, estas pruebas cubren la salida máxima, el comportamiento térmico bajo carga sostenida, la demanda de corriente y el juego mecánico en la salida.

Prueba de par máximo y corriente

La prueba de par máximo utilizó un bastidor impreso en 3D para sujetar rígidamente una balanza digital colgante frente al servo. Se fijó una palanca de 10 cm al cubo del servo perpendicular a la balanza. En la posición neutra, la palanca se conectó a la balanza sin precargarla.

Una secuencia de movimientos mediante script empujó el servo contra la balanza y lo cargó hacia el par máximo que el motor podía producir. Dado que la palanca era de 10 cm de longitud, la lectura de la balanza puede convertirse directamente en par: el par en kg·cm es la lectura de la balanza en kgf multiplicada por 10. El mismo resultado puede expresarse en Nm como kgf × 0,9807.

Esta prueba representa una condición de par de pico de corta duración, no un punto de operación normal. Es útil como referencia para comparar cuánta fuerza puede producir cada servo antes de bloquearse, saturarse o alcanzar un límite práctico de corriente. No debe confundirse con el par nominal: el par nominal es la carga que se espera que un servo maneje de forma más continua, mientras que el par máximo o de bloqueo es un límite de corta duración y es mucho más alto que el valor nominal. Por ejemplo, un servo con par nominal de 10 kg·cm puede anunciar un par de bloqueo de 30 kg·cm, pero eso no significa que pueda mantener 30 kg·cm de forma continua como carga articular.

Todos los motores se alimentaron a través de una placa Waveshare Servo Motor Driver HAT capaz de manejar cargas de 10 A. La fuente de banco se configuró a 12 V con un límite de corriente de 10 A. Durante cada secuencia de prueba, registramos tanto los registros del servo como el vídeo, de modo que el par y la corriente medidos puedan verificarse con el comportamiento visible del banco.

Prueba de aumento de temperatura bajo carga del 50%

La segunda prueba midió el aumento de temperatura mientras el servo mantenía aproximadamente el 50% de carga durante dos minutos. Esta prueba se aproxima más a un escenario de carga continua práctica que la prueba de par máximo, ya que muchas articulaciones de robots pasan más tiempo manteniendo o resistiendo la carga que alcanzando brevemente el par de bloqueo.

Durante esta prueba, recopilamos datos de temperatura de dos fuentes: el sensor de temperatura interno del servo y una cámara termográfica externa. El sensor interno muestra lo que el servo reporta a través de su telemetría, mientras que la cámara termográfica ofrece una visión independiente del calentamiento de la carcasa y la superficie. Comparar ambas lecturas ayuda a identificar si el calor se concentra dentro del motor/controlador o se distribuye por la carcasa.

Esta prueba representa el comportamiento térmico bajo carga parcial sostenida. Ayuda a responder una pregunta más práctica que el par máximo por sí solo: si el servo puede mantener una carga significativa durante un breve período de trabajo sin calentamiento excesivo, alto consumo de corriente o signos de estrés térmico.

Prueba de medición de holgura

La tercera prueba midió la holgura mientras el servo mantenía activamente su posición comandada. Una palanca de 10 cm se sometió a estrés mecánico en dos direcciones, generando pequeñas oscilaciones alrededor de la posición mantenida sin ordenar al motor que se moviera. Durante este proceso se registraron datos de registro que contenían el error de posición del encoder.

La holgura se calculó a partir de la diferencia entre el error de posición mínimo y máximo observado durante la prueba. Para reducir el efecto del ruido y los picos individuales de muestras, el cálculo utilizó valores promediados de varias oscilaciones en cada dirección en lugar de un único mínimo y máximo brutos.

El valor final de holgura se convirtió de cuentas del encoder a grados utilizando la resolución del encoder. Con el encoder magnético 12-bit, una cuenta equivale aproximadamente a 0,088°, por lo que la holgura en grados se calcula como cuentas de error de posición × 0,088°. Esta prueba representa cuánto juego mecánico aparece en la salida cuando el servo intenta mantener una posición fija frente a pequeñas fuerzas externas.

Resultados de las pruebas

Par y corriente

El primer conjunto de resultados compara el comportamiento de carga pico de corta duración con el punto de carga del 50% utilizado para la prueba térmica. Las lecturas de la balanza se expresan en kgf porque proceden directamente de la balanza colgante. Con la palanca de 10 cm, el par en kg·cm es la lectura de la balanza × 10.

El control de carga fue diferente entre las dos familias de servos. Para los motores de la serie STS, el par de salida se limitó mediante el ajuste de Torque Limit. Para los motores de la serie HLS, el valor de corriente se introdujo directamente como parámetro del comando de movimiento.

Motor	Load	Lectura de balanza (kgf)	Par (kg·cm)	Corriente (A)
STS3215	carga del 100%	3.3	33.0	2.8
STS3215	carga del 50%	2.2	22.0	0.75
STS3235	carga del 100%	3.0	30.0	2.4
STS3235	carga del 50%	2.2	22.0	0.75
STS3250	carga del 100%	5.2	52.0	4.7
STS3250	carga del 50%	3.5	35.0	1.6
HLS3930M	carga del 100%	2.8	28.0	2.4
HLS3930M	carga del 50%	2.2	22.0	0.75
HLS3950M	carga del 100%	6.3	63.0	6.0
HLS3950M	carga del 50%	3.5	35.0	2.4

HLS3950M produjo el mayor par de pico medido con 63,0 kg·cm, pero también registró la corriente de pico más alta con 6,0 A. Es el motor más potente de este conjunto de pruebas, pero requiere el mayor margen eléctrico y térmico.

STS3250 también produjo un par elevado de 52,0 kg·cm y alcanzó 35,0 kg·cm en el punto de prueba del 50%.

Una de las observaciones más claras es que el consumo de corriente sigue el nivel de carga real más que el modelo del servo. En el punto de carga similar de 22,0 kg·cm, STS3215, STS3235 y HLS3930M consumieron aproximadamente 0,75 A. En el punto de carga superior de 35,0 kg·cm, STS3250 y HLS3950M pasaron a un rango de corriente más alto. En la práctica, esto significa que servos de diferentes familias pueden consumir una corriente muy similar cuando realizan un trabajo mecánico similar. Esto también significa que los motores de la serie HLS no mostraron ser más eficientes en estas mediciones, a pesar de los valores de corriente más favorables en la hoja de datos. Bajo carga mecánica comparable, su consumo de corriente se situó en el mismo rango práctico que los motores de la serie STS.

Durante los intentos repetidos de la prueba de carga del 100%, dos motores resultaron dañados a pesar del control de temperatura y la refrigeración. El STS3215 falló con la placa controladora quemada, mientras que el STS3250 falló con el motor quemado. Este es un resultado práctico importante: las pruebas de par máximo deben tratarse como una medición de referencia de corta duración, no como un modo de operación continua seguro.

Grabaciones de la prueba de par

Resultados del aumento de temperatura

La prueba de temperatura se realizó en el punto de carga del 50%. La tabla siguiente combina la telemetría interna de temperatura del servo con las lecturas de la cámara termográfica capturadas durante el mismo tipo de prueba.

Motor	Inicio interno (°C)	Final interno (°C)	Delta interno (°C)	Inicio cámara (°C)	Final cámara (°C)	Delta cámara (°C)
STS3215	31.0	41.0	10.0	30.0	33.5	3.5
STS3235	31.0	36.0	5.0	30.0	34.5	4.5
STS3250	30.0	55.0	25.0	30.0	54.0	24.0
HLS3930M	33.0	35.0	2.0	30.0	31.7	1.7
HLS3950M	31.0	39.0	8.0	30.0	35.6	5.6

STS3250 fue el caso atípico térmico más claro en esta prueba. Su telemetría interna subió de 30 °C a 55 °C, y la cámara termográfica mostró un aumento superficial muy similar de 30 °C a 54 °C. Esto es mucho más alto que el resto del grupo bajo la misma condición de prueba de carga del 50%.

HLS3930M mostró el menor aumento en los datos capturados, con la telemetría interna incrementándose solo 2 °C y la temperatura de la cámara termográfica en 1,7 °C.

STS3215 es importante por una razón diferente: su temperatura interna subió 10 °C, mientras que la lectura externa de la cámara termográfica solo subió 3,5 °C. La imagen térmica muestra el calor concentrado dentro del cuerpo. Con la carcasa de plástico PA+GF, la disipación de calor es mucho peor que en los servos con carcasa de aluminio, por lo que la temperatura exterior de la carcasa puede subestimar el riesgo de calentamiento interno durante la retención sostenida.

En general, los datos de temperatura respaldan las mediciones de corriente: una carga mecánica similar produce un estrés eléctrico y térmico similar en varios modelos, mientras que la construcción de la carcasa afecta fuertemente a cómo escapa ese calor. Para articulaciones compactas de robots que mantienen carga durante períodos prolongados, el margen de temperatura y el material de la carcasa son tan importantes como el valor nominal de par.

Grabaciones de la prueba de temperatura

Resultados de la prueba de holgura

La holgura se calculó a partir de las mesetas de error de encoder positivas y negativas seleccionadas mientras cada servo mantenía la posición.

Motor	Promedio positivo (cuentas)	Promedio negativo (cuentas)	Holgura (cuentas)	Holgura (grados)
STS3215	3.75	-5.00	8.75	0.769
STS3235	4.00	-1.00	5.00	0.439
STS3250	1.50	-1.67	3.17	0.278
HLS3930M	2.00	-2.00	4.00	0.352
HLS3950M	3.20	-3.25	6.45	0.567

STS3250 tuvo la menor holgura medida en esta prueba con 0,278 grados, seguido de HLS3930M con 0,352 grados y STS3235 con 0,439 grados. Estos tres se mantuvieron por debajo del límite de especificación de 0,5 grados.

STS3215 mostró la mayor holgura medida con 0,769 grados, claramente por encima del límite declarado de 0,5 grados. HLS3950M también superó el límite con 0,567 grados.

El resultado no se corresponde directamente con la clase de par. El servo más potente en la prueba de par, HLS3950M, no obtuvo el mejor resultado de holgura, mientras que STS3250 obtuvo la mejor medición en este conjunto. Para articulaciones donde la precisión de posicionamiento importa, el comportamiento de la reductora debe verificarse directamente en lugar de inferirse únicamente del par máximo.

Conclusiones

Las pruebas confirmaron la mayoría de las especificaciones publicadas, pero también mostraron por qué las hojas de datos no son suficientes a la hora de seleccionar servos para un robot. Algunos valores fueron difíciles de estimar antes de las pruebas. La holgura es un ejemplo: varios motores estaban cerca del límite declarado, pero STS3215 y HLS3950M midieron por encima de la especificación de 0,5 grados. La corriente es otro ejemplo: los valores de la hoja de datos sugerían grandes diferencias de eficiencia, pero bajo carga mecánica similar los motores consumieron frecuentemente aproximadamente la misma corriente.

STS3215 es el motor más básico de esta comparativa. Es ligero y económico, pero también tiene las limitaciones más evidentes: carcasa de plástico, peor disipación de calor, preocupaciones de temperatura bajo carga sostenida y la peor holgura medida. Sigue siendo útil para aplicaciones sencillas de bajo coste, especialmente donde no se requiere fuerza constante elevada. También puede ser una buena opción para brazos maestros, bancos de enseñanza y otros mecanismos movidos manualmente donde el bajo coste y la fácil integración importan más que la potencia de salida máxima.

STS3235 parece una opción práctica más sólida que STS3215 manteniéndose en una clase de par similar. Las especificaciones de par y velocidad máximos son cercanas, pero STS3235 tiene engranajes de acero, carcasa de aluminio y mejor holgura medida. Para muchas articulaciones compactas de robots, es probablemente la opción más segura cuando la envolvente del STS3215 es atractiva pero la carcasa de plástico y el comportamiento de la reductora son motivos de preocupación.

STS3250 es uno de los candidatos más fuertes del grupo. Tiene alto par, altas RPM, construcción totalmente metálica y la mejor holgura medida en nuestra prueba. Estas son ventajas sólidas para articulaciones de robots que necesitan tanto fuerza como precisión de posicionamiento. La principal advertencia es el comportamiento térmico: observamos un aumento de temperatura inusual durante la prueba de carga del 50%. Esto podría estar relacionado con la condición de prueba específica o con esta muestra de motor en particular, por lo que debería repetirse antes de extraer una conclusión general sobre el modelo.

HLS3930M es una opción interesante, pero en estas mediciones pareció algo menos potente que las demás. Su resultado de par de pico fue inferior al de las opciones STS comparables, y no es la elección obvia si el único objetivo es la salida máxima. Su ventaja es el comportamiento de control HLS: el comando directo de par y la retroalimentación de corriente más sensible lo hacen útil para pinzas, brazos maestros, experimentos de retroalimentación de fuerza y mecanismos donde detectar el contacto o los cambios de carga importa.

HLS3950M produjo el mayor par de pico medido, por lo que es el motor más potente de este conjunto de pruebas. Sin embargo, el resultado de holgura fue decepcionante, y también requiere un margen eléctrico considerable bajo carga alta. Es un buen candidato cuando la fuerza máxima es la principal prioridad, pero resulta menos convincente para articulaciones de precisión donde el juego en la salida es importante.

En general, la mejor elección depende de la aplicación. Para mecanismos sencillos y económicos, STS3215 puede ser suficiente. Para una articulación de bajo coste más robusta, STS3235 es más atractivo. Para alto par con buena holgura medida, STS3250 es el candidato más sólido, siempre que se valide el comportamiento térmico. Para aplicaciones sensibles a la fuerza como pinzas y brazos maestros, el comportamiento de control de la serie HLS puede ser más valioso que la eficiencia bruta. Para par máximo, HLS3950M lidera, pero su holgura debe considerarse cuidadosamente.