jueves, 19 de septiembre de 2013

Robots ápodos

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

La robótica es la ciencia encaminada a diseñar y construir aparatos y sistemas capaces de realizar tareas propias de un ser humano. Se dice que 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.


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 centra 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. Al interior de la locomoción existen tres puntos claves: (1) Desplazarse un incremento en línea recta. La complejidad depende del tipo de robot. Es muy sencillo que un robot con ruedas avance en línea recta, pero no es tan sencillo que lo haga un robot con patas. (2) Giros y traslaciones en múltiples direcciones. Nuevamente depende del tipo de robot. El hacer que un robot ápodo pueda desplazarse por un plano es más complejo que en un robot con ruedas. (3) Planificación de trayectorias y navegación. Que el robot sepa qué camino elegir para llegar a un determinado lugar.

Según los efectores empleados para conseguir la locomoción, tradicionalmente se ha establecido la siguiente clasificación: (1) Con ruedas. Los efectores son ruedas. Por ejemplo, el microbot Tritt, tiene tres ruedas y dos motrices. (2) Con orugas. Por ejemplo los robots tipo “carro de combate”, como el robot de docencia, desarrollado en la Universidad Autónoma de Madrid. (3) Con patas. Cualquier robot que use patas para conseguir la locomoción: perros, gatos, hexápodos, arañas, etc. Normalmente se trata de robots bio-inspirados. Por ejemplo el robot perro Puchobot, o el hexápodo Sheila. (4) Otros. Aquí se sitúa cualquier otro tipo de locomoción no clasificable en ninguna de las anteriores categorías, como por ejemplo el robot gusano Cube 2.0.

Según cómo se realice la locomoción, existen dos tipos: (1) Locomoción estáticamente estable. El robot debe tener suficientes puntos de apoyo, que conforman el polígono de apoyo. El centro de gravedad debe caer siempre dentro de este polígono. (2) Locomoción dinámicamente estable. El robot tiene que ser estable en movimiento, no caerse, aunque puede no ser estable en reposo, como por ejemplo un robot unípodo. Este tipo de locomoción requiere más control pero aporta mayor velocidad.

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 y complicado 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. Se pueden realizar estudios previos y diseñar un robot específico para un determinado terreno. Pero lo interesante es conseguir un robot versátil que pueda moverse por la mayor cantidad de terrenos posibles.

Los robots ápodos son robots que no están dotados de partes móviles diferenciadas de su tronco, como pueden ser piernas o patas. Son robots ápodos los que imitan el comportamiento de serpientes, gusanos, caracoles y otros organismos vivos que emplean su propio tronco central para desplazarse. En los últimos años, los robots ápodos han cobrado interés en el área de robótica móvil. Esto se debe a que este tipo de robots, que se valen únicamente de su cuerpo para moverse, tienen un sistema de locomoción robusto para contender con ambientes con superficies irregulares. Los robots ápodos están frecuentemente inspirados en la naturaleza, es decir sus diseñadores se basan en los patrones de movimiento de los gusanos y serpientes cuya estructura se compone de múltiples segmentos que permiten el movimiento ondulatorio. De manera análoga, los robots ápodos se construyen a partir de módulos similares entre sí, que en su conjunto forman el cuerpo del robot.

Uno de los primeros robots ápodos conocidos fue un prototipo de robot serpiente diseñado por Shigeo Hirose el año 1993. A partir de este trabajo se han desarrollado diversos robots similares. Howie Choset y su equipo han trabajado durante los últimos doce años en el desarrollo de robots tipo serpiente. González Gómez y sus colegas presentan un prototipo de robot ápodo modular denominado “Cube revolutions”, constituido por la unión en cadena de ocho módulos iguales. Este robot se desplaza en línea recta por medio de ondas que recorren su cuerpo desde la cola hasta la cabeza. El robot calcula las posiciones de las articulaciones a partir de los parámetros de la onda, es decir, forma, amplitud y longitud. Finalmente Alarcón Ávila y sus colaboradores presentan el diseño y la construcción de un robot ápodo capaz de operar de manera autónoma con base en sus percepciones locales.

La locomoción de un gusano se basa en los músculos que se contraen y expanden, permitiéndole avanzar o retroceder. Para lograr esta locomoción, un robot ápodo debe tener una morfología que le permita contraerse y expandirse. Se diseñaron módulos para la composición del cuerpo del robot de manera que tuvieran dos características esenciales: (1) rigidez capaz de soportar toda la estructura del robot y, (2) flexibilidad para permitir la contracción y expansión del robot. El cuerpo del robot se compone de los siguientes tres elementos: (1) Cabeza. Es la parte más ligera del cuerpo del robot, debe ser ligera para lograr su elevación y por consiguiente escalar objetos de una cierta altura. La cabeza está formada por un “único módulo”. (2) Cuerpo. Es la parte que da soporte y movilidad al robot, está formada por una serie de módulos idénticos unidos entre sí, lo cual permite la expansión del cuerpo del robot únicamente agregando módulos adicionales de este tipo. (3) Cola. Es la parte más pesada del robot, permite el impulso al robot hacia adelante por medio de la contracción y expansión. Cada uno de estos módulos tiene una forma cilíndrica para permitir al robot mantenerse en equilibrio. Para aumentar la estabilidad, cada uno de los módulos tiene además un soporte plano en la parte inferior.

Para formar la estructura completa del robot se unen un módulo tipo cabeza dos módulos tipo cuerpo y un módulo tipo cola. Este tipo de configuración modular permite expandir el tamaño del robot únicamente agregando módulos adicionales del tipo cuerpo a la estructura completa del robot. Puede apreciarse también que entre cada par de módulos se encuentran dos enlaces, llamados articulaciones. Estas articulaciones permiten la unión y movilidad de los módulos de robot. Con estas articulaciones se puede imitar la contracción y expansión de un gusano. Dos articulaciones conectadas al mismo módulo tienen la misma función y se mueven de manera idéntica por lo que se consideran como una sola articulación. El robot tiene en total tres grados de libertad.

En los últimos años, los robots ápodos han cobrado interés en el área de la robótica móvil. Esto se debe a que este tipo de robots, que se valen únicamente de su cuerpo para moverse, tienen un sistema de locomoción robusto para contender con ambientes con superficies irregulares. Los robots ápodos están frecuentemente inspirados en la naturaleza, es decir., sus diseñadores se basan en los patrones de movimiento de los gusanos y serpientes cuya estructura se compone de múltiples segmentos que permiten el movimiento ondulatorio. De manera análoga, los robots ápodos se construyen a partir de módulos similares entre sí, que en su conjunto forman el cuerpo del robot.

El control en los robots ápodos se vuelve una tarea complicada conforme el número de módulos que lo conforman aumenta, esto debido a que los movimientos de las articulaciones que los unen deben sincronizarse adecuadamente. Una solución para generar el movimiento ondulatorio, es generar ondas que recorran el cuerpo del robot con la ayuda de algún modelo como la generación de una onda sinusoidal. Esta solución tiene la limitante de que cada vez que son agregados o eliminados módulos al robot, y cada vez que el robot enfrenta ambientes cuyas condiciones varían, los parámetros de dicho modelo deben ser redefinidos. Por ello, es importante dotar al robot de mecanismos de aprendizaje que le permitan contender con cambios en su estructura y en el ambiente que lo rodea.

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