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La locomoción robótica es el nombre colectivo de los diversos métodos que utilizan los robots para transportarse de un lugar a otro.

Los robots con ruedas suelen ser bastante eficientes energéticamente y fáciles de controlar. Sin embargo, otras formas de locomoción pueden ser más apropiadas por varias razones, por ejemplo, atravesar un terreno accidentado, así como moverse e interactuar en entornos humanos. Además, estudiar robots bípedos y similares a insectos puede tener un impacto beneficioso en la biomecánica.

Un objetivo importante en este campo es desarrollar capacidades para que los robots decidan de forma autónoma cómo, cuándo y dónde moverse. Sin embargo, es difícil coordinar numerosas articulaciones de robots incluso para asuntos simples, como negociar escaleras. La locomoción robótica autónoma es un obstáculo tecnológico importante para muchas áreas de la robótica, como los humanoides (como el Asimo de Honda ).

Tipos de locomoción [ editar ]

Caminando [ editar ]

Enlace de Klann
Movimiento de caminar de vinculación de Klann

Los robots que caminan simulan la marcha humana o animal , como reemplazo del movimiento de ruedas. El movimiento de las patas permite sortear superficies irregulares, escalones y otras áreas que serían difíciles de alcanzar para un robot con ruedas, además de causar menos daño al terreno ambiental como los robots con ruedas, que lo erosionarían. [1]

Los robots hexápodos se basan en la locomoción de insectos, más popularmente la cucaracha [2] y el insecto palo , cuya producción neurológica y sensorial es menos compleja que la de otros animales. Múltiples piernas permiten varios andares diferentes, incluso si una pierna está dañada, lo que hace que sus movimientos sean más útiles en robots que transportan objetos.

Ejemplos de robots de ejecución avanzados incluyen ASIMO , BigDog , HUBO 2 , RunBot y Toyota Partner Robot .

Rodando [ editar ]

En términos de eficiencia energética en superficies planas, los robots con ruedas son los más eficientes. Esto se debe a que una rueda ideal que gira (pero no se desliza) no pierde energía. Una rueda que rueda a una velocidad determinada no necesita ninguna entrada para mantener su movimiento. Esto contrasta con los robots con patas que sufren un impacto con el suelo con el talón y pierden energía como resultado.

Segway en el Museo del Robot en Nagoya .

Por simplicidad, la mayoría de los robots móviles tienen cuatro ruedas o varias pistas continuas . Algunos investigadores han intentado crear robots con ruedas más complejos con solo una o dos ruedas. Estos pueden tener ciertas ventajas, como una mayor eficiencia y piezas reducidas, además de permitir que un robot navegue en lugares confinados que un robot de cuatro ruedas no podría hacerlo.

Ejemplos: Boe-Bot , Cosmobot , Elmer , Elsie , Enon , HERO , IRobot Create , Roomba de iRobot , Johns Hopkins Beast , Land Walker , Modulus robot , Musa , Omnibot , PaPeRo , Phobot , Pocketdelta robot , Push the Talking Trash Can , RB5X , Rovio , Seropi , Shakey el robot , Sony Rolly , Spykee , TiLR , Topo , TR Araña y Wakamaru .

Saltando [ editar ]

Varios robots, construidos en la década de 1980 por Marc Raibert en el Laboratorio de Piernas del MIT , demostraron con éxito una marcha muy dinámica. Inicialmente, un robot con una sola pierna y un pie muy pequeño podía mantenerse erguido simplemente saltando . El movimiento es el mismo que el de una persona en un salto . Cuando el robot cae hacia un lado, salta levemente en esa dirección para agarrarse a sí mismo. [3] Pronto, el algoritmo se generalizó a dos y cuatro patas. Se demostró un robot bípedo corriendo e incluso realizando saltos mortales . [4] También se demostró un cuadrúpedo que podía trotar , correr, caminary atado. [5]

Ejemplos:

  • El cachorro de guepardo del MIT es un robot cuadrúpedo de propulsión eléctrica con patas pasivas compatibles capaces de autoestabilizarse en un amplio rango de velocidades. [6]
  • El Tekken II es un pequeño cuadrúpedo diseñado para caminar en terrenos irregulares de forma adaptativa. [7]

Movimiento metacrónico [ editar ]

La acción mecánica secuencial coordinada que tiene la apariencia de una onda viajera se denomina ritmo u onda metacrónica y es empleada en la naturaleza por los ciliados para el transporte y por los gusanos y artrópodos para la locomoción.

Deslizándose [ editar ]

Se han desarrollado con éxito varios robots serpiente . Imitando la forma en que se mueven las serpientes reales, estos robots pueden navegar por espacios muy reducidos, lo que significa que algún día pueden usarse para buscar personas atrapadas en edificios derrumbados. [8] El robot serpiente japonés ACM-R5 [9] puede incluso navegar tanto en tierra como en agua. [10]

Ejemplos: robot con brazo de serpiente , Roboboa y Snakebot .

Natación [ editar ]

  • Ver vehículos submarinos autónomos

Braquiar [ editar ]

Ver también: Braquiación

La braquiación permite a los robots viajar balanceándose, usando energía solo para agarrar y soltar superficies. [11] Este movimiento es similar al de un simio que se balancea de un árbol a otro. Los dos tipos de braquiación se pueden comparar con los movimientos de caminar bípedos (contacto continuo) o correr (richochetal). El contacto continuo es cuando un mecanismo de mano / agarre siempre está unido a la superficie que se cruza; richochetal emplea una fase de "vuelo" aéreo de una superficie / extremidad a la siguiente.

Híbrido [ editar ]

Los robots también pueden diseñarse para realizar locomoción en múltiples modos. Por ejemplo, el robot serpiente bípedo [12] puede deslizarse como una serpiente y caminar como un robot bípedo.

Locomoción de inspiración biológica [ editar ]

El deseo de crear robots con habilidades locomotoras dinámicas ha llevado a los científicos a buscar soluciones en la naturaleza. Se han inventado varios robots capaces de realizar una locomoción básica en un solo modo, pero se ha descubierto que carecen de varias capacidades, lo que limita sus funciones y aplicaciones. Se necesitan robots altamente inteligentes en varias áreas, como misiones de búsqueda y rescate, campos de batalla e investigación del paisaje. Por lo tanto, los robots de esta naturaleza deben ser pequeños, ligeros, rápidos y poseer la capacidad de moverse en múltiples modos de locomotora. Resulta que varios animales han proporcionado inspiración para el diseño de varios robots. Algunos de esos animales son:

Pteryomini (ardilla voladora)

Imagen ilustrativa de la ardilla voladora (Pteromyini)

El Pteryomini exhibe una gran movilidad en tierra al hacer uso de su caminar cuadrúpedo con piernas de alta DoF. En el aire, el Pteryomini se desliza utilizando las fuerzas de elevación de la membrana entre sus piernas. Posee una membrana altamente flexible que permite el movimiento desenfrenado de sus piernas. [13] Utiliza su membrana altamente elástica para deslizarse mientras está en el aire y demuestra un movimiento ágil en el suelo. Además, el Pteryomini puede exhibir una locomoción multimodal debido a la membrana que conecta las patas delanteras y traseras, lo que también mejora su capacidad de deslizamiento. [13] Se ha demostrado que una membrana flexible posee un coeficiente de sustentación más alto que las placas rígidas y retrasa el ángulo de ataque en el que se produce la pérdida. [13]La ardilla voladora también posee haces gruesos en los bordes de su membrana, las puntas de las alas y la cola, lo que ayuda a minimizar las fluctuaciones y la pérdida de energía innecesaria. [13]

Imagen que muestra la ubicación del uropatagio

El Pteromyini puede aumentar su capacidad de deslizamiento debido a los numerosos atributos físicos que posee.

La estructura muscular flexible tiene múltiples propósitos. Por un lado, el plagiopatagio, que sirve como generador principal de elevación para la ardilla voladora, puede funcionar de manera efectiva debido a sus músculos delgados y flexibles. [14] [15] El plagiopatagio puede controlar la tensión en la membrana debido a la contracción y expansión. En última instancia, el control de la tensión puede ayudar a ahorrar energía debido a que la membrana se agita al mínimo. Una vez que aterriza, el Pteromyini contrae su membrana para asegurarse de que la membrana no se hunda cuando camina [15]

El propatagium y el uropatagium sirven para proporcionar una elevación adicional al Pteromyini. [15] Mientras que el propatagio está situado entre la cabeza y las patas delanteras de la ardilla voladora, el uropatagio está situado en la cola y las patas traseras y sirven para proporcionar a la ardilla voladora una mayor agilidad y resistencia para el aterrizaje. [15]

Además, la ardilla voladora posee estructuras musculares gruesas en forma de cuerda en los bordes de su membrana para mantener la forma de la membrana [15] . Estas estructuras musculares llamadas platisma, tibiocarpial y semitendinoso, se localizan en el propatagio y el plagiopatagio y el uropatagio, respectivamente. [15] Estas estructuras musculares gruesas sirven para protegerse contra el aleteo innecesario debido a las fuertes presiones del viento durante el deslizamiento, minimizando así la pérdida de energía. [15]

Las puntas de las alas están situadas en las muñecas de las extremidades anteriores y sirven para formar un perfil aerodinámico que minimiza el efecto de arrastre inducido debido a la formación de vórtices en las puntas de las alas. [14] Las puntas de las alas amortiguan los efectos de los vórtices y evitan que la resistencia inducida afecte a toda el ala. El Pteryomini puede desplegar y doblar las puntas de sus alas mientras se desliza usando sus pulgares. Esto sirve para evitar la flacidez no deseada de las puntas de las alas. [14]

La cola de la ardilla voladora permite mejorar las habilidades de deslizamiento, ya que desempeña un papel fundamental. A diferencia de otros vertebrados, el Pteromyini posee una cola que se aplana para ganar más superficie aerodinámica a medida que se desliza. [16] [17] Esto también permite que la ardilla voladora mantenga la estabilidad del ángulo de inclinación de su cola. Esto es particularmente útil durante el aterrizaje, ya que el Pteromyini puede ampliar su ángulo de cabeceo e inducir más resistencia para desacelerar y aterrizar de forma segura [15].

Además, las patas y la cola del Pteromyini sirven para controlar su dirección de deslizamiento. Debido a la flexibilidad de las membranas alrededor de las piernas, se controla el ángulo de la cuerda y el ángulo diedro entre la membrana y el plano coronal del cuerpo. [13] Esto le permite al animal crear momentos de balanceo, cabeceo y guiñada que a su vez controlan la velocidad y dirección del deslizamiento. [18] [19] Durante el aterrizaje, el animal puede reducir rápidamente su velocidad aumentando la resistencia y cambiando su ángulo de cabeceo usando sus membranas y aumentando aún más la resistencia del aire al aflojar la tensión entre las membranas de sus patas [18] [19]

Desmodus rotundus (murciélago vampiro)

Imagen que muestra el Desmodus Rotundus (murciélago vampiro)

Se sabe que los murciélagos vampiros comunes poseen modos poderosos de locomoción terrestre, como saltar, y locomoción aérea, como deslizarse. Varios estudios han demostrado que la morfología del murciélago le permite alternar fácil y eficazmente entre ambos modos locomotoras. [20] La anatomía que ayuda en esto se construye esencialmente alrededor del músculo más grande del cuerpo del murciélago pectorialis profundus (división posterior). [20] Entre los dos modos de locomoción, hay tres huesos que se comparten. Estos tres huesos principales son partes integrales de la estructura del brazo, a saber: húmero, cúbito y radio. Dado que ya existe un intercambio de componentes para ambos modos, no se necesitan músculos adicionales al pasar de saltar a deslizarse.[20]

Imagen que muestra la schistocerca gregaria (langosta del desierto)

Un estudio detallado de la morfología del hombro del murciélago muestra que los huesos del brazo son un poco más resistentes y que el cúbito y el radio se han fusionado para adaptarse a las fuertes fuerzas de reacción del suelo [20].

Schistocerca gregaria (langosta del desierto)

La langosta del desierto es conocida por su capacidad para saltar y volar largas distancias, así como para gatear por tierra. [21] Un estudio detallado de la anatomía de este organismo proporcionaría algunos detalles sobre los mecanismos de locomoción. Las patas traseras de la langosta están desarrolladas para saltar. Poseen un proceso semilunar que consiste en el gran músculo extensor de la tibia, el pequeño músculo flexor de la tibia y una cutícula engrosada en forma de plátano. [22] [23] Cuando el músculo tibial se flexiona, la ventaja mecánica de los músculos y el componente de empuje vertical de la extensión de la pierna aumentan. [24] Estas langostas del desierto utilizan un mecanismo de catapulta en el que la energía se almacena primero en las patas traseras y luego se libera para extender las patas. [25]

Para que se produzca un salto perfecto, la langosta debe empujar sus patas contra el suelo con una fuerza lo suficientemente fuerte como para iniciar un despegue rápido. La fuerza debe ser lo suficientemente adecuada para lograr un despegue rápido y una altura de salto decente. La fuerza también debe generarse rápidamente. Para hacer una transición efectiva del modo de salto al modo de vuelo, el insecto debe ajustar el tiempo durante la apertura del ala para maximizar la distancia y la altura del salto. Cuando está en el cenit de su salto, se activa el modo de vuelo. [22]

Locomoción de robot multimodal basada en bioinspiración [ editar ]

Modelado de un robot multimodal que camina y se desliza según el Pteryomini (ardilla voladora)

Tras el descubrimiento del modelo requerido para imitar, los investigadores buscaron diseñar un robot con patas que fuera capaz de lograr un movimiento efectivo en entornos aéreos y terrestres mediante el uso de una membrana flexible. Por lo tanto, para lograr este objetivo, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones de diseño:

1. La forma y el área de la membrana tenían que seleccionarse conscientemente para poder lograr las capacidades aerodinámicas previstas de esta membrana. Además, el diseño de la membrana afectaría el diseño de las patas ya que la membrana está unida a las patas. [13]

2. La membrana tenía que ser lo suficientemente flexible para permitir el movimiento sin restricciones de las piernas durante el deslizamiento y la marcha. Sin embargo, la cantidad de flexibilidad tuvo que controlarse debido al hecho de que una flexibilidad excesiva podría conducir a una pérdida significativa de energía causada por las oscilaciones en las regiones de la membrana donde se produce una fuerte presión. [13]

3. La pierna del robot tuvo que diseñarse para permitir pares de torsión adecuados para caminar y deslizarse [13]

Para incorporar estos factores, se tuvo que prestar mucha atención a las características del Pteryomini. Las características aerodinámicas del robot se modelaron utilizando el modelado dinámico y la simulación. Al imitar los gruesos haces de músculos de la membrana del Pteryomini, los diseñadores pudieron minimizar las fluctuaciones y oscilaciones en los bordes de la membrana del robot, reduciendo así la pérdida innecesaria de energía. [13] Además, la cantidad de arrastre en el ala del robot se redujo mediante el uso de las puntas de las alas retráctiles, lo que permitió mejorar la capacidad de deslizamiento. [14] Además, la pierna del robot fue diseñada para incorporar suficiente torque después de imitar la anatomía de la pierna de Pteryomini usando análisis de trabajo virtual. [13]

Siguiendo el diseño de la pierna y la membrana del robot, se determinó que su relación de deslizamiento promedio (GR) era de 1,88. El robot funcionó de manera efectiva, caminando en varios patrones de marcha y gateando con sus piernas de alta DoF. [13] El robot también pudo aterrizar de forma segura. Estas actuaciones demostraron las capacidades de deslizamiento y caminar del robot y su locomoción multimodal.

Modelado de un robot de salto y deslizamiento multimodal según el Desmodus Rotundus (Vampire Bat)

El diseño del robot llamado Multi-Mo Bat implicó el establecimiento de cuatro fases principales de operación: fase de almacenamiento de energía, fase de salto, fase de inercia y fase de deslizamiento. [20]La fase de almacenamiento de energía implica esencialmente la reserva de energía para la energía de salto. Esta energía se almacena en los resortes de potencia principales. Este proceso crea adicionalmente un torque alrededor de la articulación de los hombros que a su vez configura las piernas para saltar. Una vez que se libera la energía almacenada, se puede iniciar la fase de salto. Cuando se inicia la fase de salto y el robot despega del suelo, pasa a la fase de costa que ocurre hasta que se alcanza la cima y comienza a descender. A medida que el robot desciende, la resistencia ayuda a reducir la velocidad a la que desciende a medida que el ala se reconfigura debido al aumento de la resistencia en la parte inferior de las aspas aerodinámicas. [20] En esta etapa, el robot se desliza hacia abajo.

La anatomía del brazo del vampiro juega un papel clave en el diseño de la pierna del robot. Para minimizar el número de grados de libertad (DoF), los dos componentes del brazo se reflejan en el plano xz. [20] Esto luego crea el diseño de cuatro barras de la estructura de la pierna del robot que da como resultado solo 2 DoF independientes. [20]

Modelado de un robot volador y saltador multimodal a partir de la Schistocerca gregaria (langosta del desierto)

El robot diseñado estaba impulsado por un solo motor de CC que integraba las actuaciones de salto y aleteo. [23] Fue diseñado como una incorporación del mecanismo de manivela deslizante invertido para la construcción de las patas, un sistema de embrague de garras para servir como mecanismo de cabrestante y un mecanismo de piñón de cremallera utilizado para el sistema de aletas. [20] Este diseño incorporó un mecanismo de liberación y almacenamiento de energía muy eficiente y un mecanismo de aleteo integrado. [20]

Se desarrolló un robot con características similares a las de la langosta. La característica principal del diseño del robot era un sistema de engranajes impulsado por un solo motor que permitía al robot realizar sus movimientos de salto y aleteo. Al igual que el movimiento de la langosta, el movimiento del robot se inicia flexionando las piernas hasta la posición de máximo almacenamiento de energía, después de lo cual la energía se libera inmediatamente para generar la fuerza necesaria para lograr el vuelo. [20]

Se probó el rendimiento del robot y los resultados demostraron que el robot podía saltar a una altura aproximada de 0,9 m mientras pesaba 23 gy batía sus alas a una frecuencia de aproximadamente 19 Hz. [20] El robot probado sin sus alas batientes se desempeñó de manera menos impresionante mostrando una disminución de aproximadamente un 30% en el rendimiento de salto en comparación con el robot con las alas. [20] Estos resultados son bastante impresionantes, ya que se espera que ocurra lo contrario, ya que el peso de las alas debería haber impactado en el salto.

Enfoques [ editar ]

  • Optimización de producto
  • Planificación de movimiento
  • La captura de movimiento se puede realizar en humanos, insectos y otros organismos.
  • Aprendizaje automático , generalmente con aprendizaje por refuerzo .

Investigadores notables en el campo [ editar ]

  • Rodney Brooks
  • Marc Raibert
  • Jessica Hodgins
  • Whittaker rojo

Referencias [ editar ]

  1. ^ Ghassaei, Amanda (20 de abril de 2011). El diseño y optimización de un mecanismo de pierna basado en manivela (PDF) (Tesis). Pomona College. Archivado (PDF) desde el original el 29 de octubre de 2013 . Consultado el 18 de octubre de 2018 .
  2. ^ Sneiderman, Phil (13 de febrero de 2018). "Al estudiar la locomoción de las cucarachas, los científicos aprenden a construir robots mejores y más móviles" . Hub . Universidad Johns Hopkins . Consultado el 18 de octubre de 2018 .
  3. ^ "Tolva 3D de una pierna (1983-1984)" . Laboratorio de piernas del MIT . Consultado el 22 de octubre de 2007 .
  4. ^ "3D Biped (1989-1995)" . Laboratorio de piernas del MIT.
  5. ^ "Cuadrúpedo (1984-1987)" . Laboratorio de piernas del MIT.
  6. ^ A. Spröwitz, A. Tuleu, M. Vespignani, M. Ajallooeian, E. Badri, AJ Ijspeert (2013). "Hacia la locomoción dinámica de la marcha al trote: diseño de control y experimentos con cheetah-cub, un robot cuadrúpedo compatible" . La Revista Internacional de Investigación en Robótica . 32 (8): 932–950. doi : 10.1177 / 0278364913489205 . S2CID 90770 . CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
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  8. ^ Miller, Gavin. "Introducción" . snakerobots.com . Consultado el 22 de octubre de 2007 .
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  11. ^ "Video: Brachiating 'Bot balancea su brazo como un mono"
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Enlaces externos [ editar ]

  • Locomoción robot