martes, 6 de agosto de 2013

Robótica modular reconfigurable

Autor:
PhD. Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net/
Publicado en:
Abril 13 de 2009

En el término robot confluyen las imágenes de máquinas para la realización de trabajos productivos así como de imitación de movimientos y comportamientos de los seres vivos. Desde la antigüedad, el hombre ha sentido fascinación por las máquinas que imitan la figura y los movimientos de seres animados, y existe una larga tradición de autómatas desde el mundo griego hasta los actuales días. El término “robot” aparece por vez primera en la obra dramática “Rossum's Universal Robots” de Karel Capek en el año 1921, a partir de la palabra checa “robota”, que significa servidumbre o trabajo forzado. De igual manera los avances logrados en la mecánica y en el control de máquinas nutren considerablemente el paso a dispositivos más sofisticados. Es a principios del siglo veinte cuando se pasa de máquinas que tienen como objetivo exclusivo la amplificación de la potencia muscular del hombre, sustituyéndolo en su trabajo físico, a máquinas o instrumentos que son también capaces de procesar información, complementando, o incluso sustituyendo al hombre en algunas actividades intelectuales. La robótica es la ciencia y la tecnología de los robots. Se ocupa del diseño, manufactura y aplicaciones de los robots. La robótica combina diversas disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial y la ingeniería de control. Otras áreas importantes en robótica son el álgebra, los autómatas programables y las máquinas de estados. El término robótica es acuñado por Isaac Asimov, definiéndola como la ciencia que estudia a los robots. Asimov creó también las “Leyes de la Robótica”.


En la robótica existen dos grandes áreas: manipulación y locomoción. La manipulación es la capacidad de actuar sobre los objetos, trasladándolos o modificándolos. Esta área se encuentra centrada en la construcción de manipuladores y brazos robóticos. La locomoción es la facultad de un robot para poder desplazarse de un lugar a otro. Los robots con capacidad locomotiva se llaman “robots móviles”. Uno de los grandes retos en el área de la locomoción es el de desarrollar un robot que sea capaz de moverse por cualquier tipo de entorno, por muy escarpado que sea. Esto tiene especial interés en la exploración de otros planetas, en los que no se sabe qué tipo de terreno se puede encontrar.

Los robots modulares están compuestos por muchos bloques constructores de entre un limitado repertorio. Estos bloques cuentan con mecanismos de sujeción que les permiten acoplarse entre sí y transmitir fuerzas mecánicas y señales eléctricas. Estos bloques constructores normalmente son unidades que aportan algún actuador, o unidades especializadas: un gripper, ruedas, cámaras, abastecimiento de energía, etc. Existe la posibilidad de contar con un solo tipo de unidades en un sistema homogéneo, o con varios tipos de ellas en un sistema heterogéneo. Con un sistema homogéneo se obtiene simplicidad, pero con un sistema heterogéneo se hace más extenso el rango de actividades realizables, y se puede manejar especialización entre los módulos.

El ingeniero mecánico Mark Yim es considerado como el principal investigador y padre de la robótica modular configurable. Yim realizó su tesis doctoral en la Universidad de Stanford entre los años 1992 a 1994. En esta tesis se introducen los conceptos de robótica modular reconfigurable. Además se realiza lo siguiente: taxonomía de las distintas formas de locomoción, diseño y construcción del robot Polypod, capaz de generar todas las clases de locomoción estáticamente estable, evaluación y comparación de los distintos modos de locomoción de Polypod y finalmente las limitaciones en cuanto al número de módulos.

Las dos características centrales de estos robots son: (1) Modularidad. Es una característica que consiste en que los robots están construidos a partir de componentes estandarizados que se pueden intercambiar. Según el número de módulos distintos, el robot puede ser 1-modular, 2-modular, etc. Los investigadores del Laboratorio “Hirose & Yoneda” fueron pioneros en el estudio y construcción de robots tipo serpiente, que están constituidos por módulos similares. Un prototipo es el ACM III, está compuesto por 20 módulos iguales, cada uno de los cuales dispone de un servomecanismo para girar a derecha o izquierda con respecto al módulo siguiente. El contacto con el suelo se realiza mediante unas ruedecillas, que permiten que los módulos se deslicen hacia delante fácilmente, ofreciendo mucha resistencia al deslizamiento lateral, lo que permite que la serpiente se impulse hacia adelante. La cabeza describe un movimiento sinusoidal, que se va propagando hacia el resto de articulaciones a una velocidad constante. Las características del ACM III son: (a) Velocidad: 40cm/sec. (b) Longitud: 2m. (c) Número de secciones: 20. También se ha empleado robots serpiente para crear manipuladores, como el SG, constituidos también por módulos iguales. Se trata de una “pinza” o “agarrador mecánico” que adopta la forma del objeto que va a coger, creando una fuerza que se reparte uniformemente por todo el objeto. El prototipo es capaz de levantar cuerpos humanos, sin que estos sufran ningún daño. Si se utilizasen los manipuladores clásicos, como pinzas, podrían hacer daño al humano en las zonas de contacto. (2) Reconfigurabilidad. Es la habilidad para combinar los componentes físicos del robot. La reconfigurabilidad puede ser: (a) Dinámica, cuando el robot se autoreconfigura. (b) Manual, cuando otro agente reconfigura el robot. Un ejemplo de reconfiguración son los brazos robóticos. El RMMS es un brazo robot que es capaz de recalcular los parámetros dinámicos, cuando el usuario cambia los módulos de lugar. Un brazo robot industrial que disponga de diferentes manipuladores situados en una estantería, y que sea capaz de dejar uno y colocar otro, sería un ejemplo de robot reconfigurable dinámicamente.

Los robots modulares reconfigurables presentan tres características importantes: (1) Versatilidad, al estar constituidos por módulos, pueden adoptar prácticamente cualquier forma por lo que se pueden emplear para múltiples tareas diferentes. Esta característica tiene especial importancia en la locomoción, puesto que permite que un robot pueda desplazarse por terrenos muy dispares. (2) Fiabilidad, debido a la alta redundancia. El sistema se va degradando poco a poco según se van fallando los módulos. (3) Bajos costos para varios módulos diferentes, con economía de escala.

Existen tres tipos de robots reconfigurables, según la manera en que cambian su forma: (1) Robots tipo cadena. Que consiste en robots que se unen y separan a través de cadenas de módulos. Un ejemplo de este tipo de robots son polypod y polybot. (2) Robots tipo retículo. En este tipo de robots los módulos se mueven dentro de un retículo en tres dimensiones. Esta tarea es similar a cómo se mueven los átomos en un cristal. (3) Autoreconfiguración móvil. En este tipo de robot los módulos se separan y se mueven independientemente hasta unirse a otro módulo en otra parte del robot. Son bastante complejos y se encuentran poco estudiados.

Los robots modulares autoconfigurables pueden ser agrupados en varios conjuntos atendiendo al tipo de ensamblado geométrico que realizan. Algunos sistemas son híbridos entre dos o más grupos, estos grupos son los siguientes: (1) Estructuras reticulares. Las unidades se encuentran acomodadas bajo algún patrón tridimensional, como una red cúbica o hexagonal. El control y el movimiento es ejecutado en paralelo. Estas estructuras en red ofrecen una representación computacional bastante simple y puede ser escalada fácilmente hacia sistemas más complejos. (2) Estructuras en cadena o en árbol. Las unidades se conectan entre sí formando una cadena, varias cadenas pueden estar ensambladas entre sí a través de nodos para formar árboles. Una estructura en cadena puede alcanzar cualquier punto en el espacio, sin embargo son computacionalmente más difíciles de representar y de analizar.

Los robots modulares autoconfigurables también pueden clasificarse, atendiendo a la manera en que ocurre la reconfiguración, en los siguientes elementos: (1) Reconfiguración determinística. Consiste en moverse hacia donde se encuentra el objetivo. Las posiciones y orientaciones de los módulos “objetivo” son conocidas en todo momento. De esta manera los tiempos de reconfiguración pueden ser asegurados. (2) Reconfiguración estocástica. Consiste en unidades que se mueven usando procesos estocásticos, tales como el movimiento Browniano. El ensamblado de las unidades solo puede darse cuando se encuentran suficientemente cerca. Los tiempos de ensamblado sólo pueden asegurarse estadísticamente.

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