Locomoción robótica

Robot locomotion es el nombre colectivo de los diversos métodos que los robots utilizan para transportarse de lugar a lugar.

Los robots con ruedas suelen ser bastante eficientes y simples de controlar. Sin embargo, otras formas de locomoción pueden ser más apropiadas por varias razones, por ejemplo, atravesar terrenos ásperos, así como moverse e interactuar en entornos humanos. Además, el estudio de robots bipedales e insectos puede influir beneficiosamente 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, coordinar numerosas articulaciones de robots incluso para asuntos simples, como subir escaleras, es difícil. La locomoción autónoma de robots es un obstáculo tecnológico importante para muchas áreas de la robótica, como los humanoides (como el Asimo de Honda).

Tipos de locomoción

Caminar

• See Dinámica pasiva
• See Zero Moment Point
• See Mecanismo legislativo
• See Hexapod (robotics)

Los robots andantes simulan la marcha humana o animal, como sustituto del movimiento sobre ruedas. El movimiento de las piernas 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 que los robots con ruedas, lo que lo erosionaría.

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

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

Rodando

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 rueda (pero que no resbala) no pierde energía. Una rueda que gira a una velocidad determinada no necesita ningún estímulo para mantener su movimiento. Esto contrasta con los robots con patas que sufren un impacto con el suelo al golpear el talón y, como resultado, pierden energía.

Para simplificar, la mayoría de los robots móviles tienen cuatro ruedas o varias orugas continuas. Algunos investigadores han intentado crear robots con ruedas más complejos, con sólo una o dos ruedas. Estos pueden tener ciertas ventajas como una mayor eficiencia y menos piezas, además de permitir que un robot navegue en lugares reducidos que un robot de cuatro ruedas no podría.

Ejemplos: boe-bot, cosmobot, Elmer, elsie, Enón, HÉROE, IRobot crear, Roomba de iRobot, Bestia de Johns Hopkins, caminante de la tierra, robot de módulo, Musa, omnibot, papel, fobot, robot delta de bolsillo, Empuja el bote de basura parlante, RB5X, Rovio, Seropi, Shakey el robot, sony rolly, espía, TiLR, topo, TR Araña, y Wakamaru.

Saltando

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 saltador. Cuando el robot cae hacia un lado, saltará ligeramente en esa dirección para poder agarrarse. Pronto, el algoritmo se generalizó a dos y cuatro patas. Se demostró un robot bípedo corriendo e incluso realizando saltos mortales. También se demostró un cuadrúpedo que podía trotar, correr, caminar y saltar.

Ejemplos:

• El MIT cheetah cub es un robot cuádruple eléctrico con patas compactas pasivas capaces de autoestabilizarse en grandes velocidades.
• El Tekken II es un pequeño quadruped diseñado para caminar en terrenos irregulares de forma adaptativa.

Movimiento metacrónico

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

Deslizándose

Varios robots de serpiente se han desarrollado con éxito. Al imitar la forma en que se mueven las serpientes reales, estos robots pueden navegar espacios muy confinados, lo que significa que pueden un día ser usados para buscar personas atrapadas en edificios colapsados. El robot japonés de serpiente ACM-R5 puede incluso navegar tanto en tierra como en agua.

Ejemplos: Robot con brazo de serpiente, Roboboa y Robot serpiente.

Natación

• See Vehículos submarinos autónomos

Braquiante

La braquiación permite que los robots se desplacen balanceándose, utilizando energía sólo para agarrar y soltar superficies. Este movimiento es similar al de un simio balanceándose de un árbol a otro. Los dos tipos de braquiación se pueden comparar con movimientos de marcha bípeda (contacto continuo) o carrera (rebotaje). El contacto continuo es cuando un mecanismo de mano/agarre siempre está unido a la superficie que se cruza; ricochetal emplea una fase de "vuelo" de una superficie/extremidad a la siguiente.

Híbrido

Los robots también se pueden diseñar para realizar la locomoción en múltiples modos. Por ejemplo, el robot serpiente bípedo reconfigurable puede deslizarse como una serpiente y caminar como un robot bípedo.

Locomoción de inspiración biológica

El deseo de crear robots con capacidades 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 las misiones de búsqueda y rescate, los campos de batalla y la investigación del paisaje. Por tanto, los robots de esta naturaleza deben ser pequeños, ligeros, rápidos y poseer la capacidad de moverse en múltiples modos locomotores. Resulta que varios animales han servido de inspiración para el diseño de varios robots. Algunos de estos animales son:

Pteromyini (ardillas voladoras)

Pteromyini (una tribu compuesta de ardillas voladoras) exhibe una gran movilidad en tierra haciendo uso de su capacidad de caminar cuádruple con patas de alto grado de libertad (DoF). En el aire, las ardillas voladoras se deslizan utilizando fuerzas de elevación de la membrana entre sus piernas. Poseen una membrana altamente flexible que permite el movimiento sin restricciones de las piernas. Utilizan su membrana altamente elástica para deslizarse mientras que en el aire y demuestran el movimiento de lavado en el suelo. Además, Pteromyini es capaz de exhibir locomoción multimodal debido a la membrana que conecta las patas delanteras y traseras que también aumenta su capacidad de deslizamiento. Se ha demostrado que una membrana flexible posee un coeficiente de elevación más alto que las placas rígidas y retrasa el ángulo de ataque en el que se produce el estancamiento. La ardilla voladora también posee gruesos paquetes en los bordes de su membrana, puntas de alas y cola que ayuda a minimizar las fluctuaciones y la pérdida innecesaria de energía.

Los pteromyini pueden aumentar su capacidad de deslizamiento debido a los numerosos atributos físicos que poseen.

La estructura muscular flexible tiene múltiples propósitos. Por un lado, el plagiopatagio, que sirve como principal generador de sustentación para la ardilla voladora, puede funcionar eficazmente gracias a sus músculos delgados y flexibles. El plagiopatagio es capaz de controlar la tensión sobre la membrana debido a la contracción y expansión. En última instancia, el control de la tensión puede ayudar a ahorrar energía debido a la minimización del aleteo de la membrana. Una vez que la ardilla aterriza, contrae su membrana para asegurarse de que no se hunda cuando camina.

El propatagio y el uropatagio sirven para proporcionar elevación adicional a Pteromyini. Mientras que el propatagio está situado entre la cabeza y las extremidades anteriores de la ardilla voladora, el uropatagio está situado en la cola y las extremidades traseras y sirven para proporcionar a la ardilla voladora mayor agilidad y resistencia para el aterrizaje.

Además, la ardilla voladora posee estructuras musculares gruesas como cuerda en los bordes de su membrana para mantener la forma de las membranas. Estas estructuras musculares llamadas platysma, tibiocarpalis y semitendinosus, se encuentran en el propatagium, plagiopatagium y uropatagium respectivamente. Estas estructuras musculares gruesas sirven para evitar fluctuaciones innecesarias debido a fuertes presiones del viento durante el deslizamiento, minimizando así la pérdida de energía.

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. Las puntas de las alas amortiguan los efectos de los vórtices e impiden que la resistencia inducida afecte a toda el ala. Las ardillas voladoras pueden desplegar y doblar las puntas de sus alas mientras se deslizan usando sus pulgares. Esto sirve para evitar que las puntas de las alas se doblen de forma no deseada.

La cola de la ardilla voladora permite mejorar las habilidades de deslizamiento ya que juega un papel crítico. A diferencia de otros vertebrados, Pteromyini posee una cola aplanada para ganar más superficie aerodinámica mientras se deslizan. Esto también permite que la ardilla voladora mantenga la estabilidad del ángulo del lanzamiento de su cola. Esto es particularmente útil durante el aterrizaje ya que la ardilla voladora es capaz de ampliar su ángulo de lanzamiento e inducir más arrastre para desacelerar y aterrizar con seguridad.

Además, las piernas y la cola de Pteromyini sirven para controlar su dirección de deslizamiento. Debido a la flexibilidad de las membranas alrededor de las piernas, se controla el ángulo del acorde y el ángulo dihedral entre la membrana y el plano coronal del cuerpo. Esto permite al animal crear movimientos de rodadura, lanzamiento y bostezo que a su vez controlan la velocidad y dirección del deslizamiento. Durante el aterrizaje, el animal es capaz de reducir rápidamente su velocidad aumentando la arrastre y cambiando su ángulo de tono utilizando sus membranas y aumentando aún más la resistencia al aire al aflojar la tensión entre las membranas de sus piernas.

Desmodus Rotundus (vampire bat)

Los murciélagos vampiros comunes son conocidos por poseer modos poderosos de locomoción terrestre, como saltar, y locomoción aérea como el deslizamiento. Varios estudios han demostrado que la morfología del murciélago le permite alternar fácilmente y eficazmente entre ambos modos locomotores. La anatomía que ayuda en esto se construye esencialmente alrededor del músculo más grande del cuerpo del murciélago, pectoralis profundus (división posterior). 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 el humerus, ulna y radio. Puesto que ya existe un reparto de componentes para ambos modos, no se necesitan músculos adicionales cuando se transfiere de saltar a deslizarse.

Un estudio detallado de la morfología del hombro del murciélago muestra que los huesos del brazo son ligeramente más resistentes y que el cúbito y el radio se han fusionado para acomodar las fuertes fuerzas de reacción del suelo.

Schistocerca gregaria (langosta del desierto)

La langosta del desierto es conocida por su capacidad de saltar y volar largas distancias, así como de arrastrarse por la tierra. Un estudio detallado de la anatomía de este organismo proporciona 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 músculo extensor de la tibia grande, el músculo flexor de la tibia pequeño y una cutícula engrosada en forma de plátano. Cuando el músculo tibial se flexiona, aumentan la ventaja mecánica de los músculos y el componente de empuje vertical de la extensión de la pierna. 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.

Para que se produzca un salto perfecto, la langosta debe empujar sus patas en el suelo con una fuerza suficiente para iniciar un despegue rápido. La fuerza debe ser suficiente para conseguir un despegue rápido y una altura de salto decente. La fuerza también debe generarse rápidamente. Para realizar 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 vuelo.

Locomoción robótica multimodal basada en bioinspiración

Modelado de un robot multimodal que camina y se desliza según Pteromyini (ardillas voladoras)

Tras el descubrimiento del modelo necesario 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. Así, para lograr este objetivo, se tuvieron en cuenta las siguientes consideraciones de diseño:

1. La forma y el área de la membrana tuvieron que seleccionarse conscientemente para poder alcanzar las capacidades aerodinámicas previstas de esta membrana. Además, el diseño de la membrana afectaría al diseño de las patas puesto que la membrana está unida a las patas.

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.

3. La pata del robot tuvo que diseñarse para permitir pares de torsión adecuados tanto para caminar como para deslizarse.

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

Siguiendo el diseño de la pata y la membrana del robot, se determinó que su índice de planeo (GR) promedio era 1,88. El robot funcionó eficazmente, caminando con varios patrones de marcha y arrastrándose con sus patas de alto DoF. El robot también pudo aterrizar de forma segura. Estas actuaciones demostraron las capacidades de deslizamiento y caminata del robot y su locomoción multimodal.

Modelado de un robot multimodal que salta y se desliza a partir del Desmodus Rotundus (murciélago vampiro)

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 planeo. La fase de almacenamiento de energía implica esencialmente la reserva de energía para la energía de salto. Esta energía se almacena en los resortes principales. Este proceso además crea una torsión 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 inercia que se produce hasta que 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 los perfiles aerodinámicos. En esta etapa, el robot se desliza hacia abajo.

La anatomía del brazo del murciélago 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 sobre el plano xz. Esto luego crea el diseño de cuatro barras de la estructura de patas del robot, lo que da como resultado sólo dos DoF independientes.

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

El robot diseñado estaba propulsado por un único motor de CC que integraba las funciones de salto y aleteo. Fue diseñado como una incorporación del mecanismo de manivela deslizante invertida para la construcción de las patas, un sistema de embrague de perro para servir como mecanismo de cabrestante y un mecanismo de piñón de cremallera utilizado para el sistema de alas batientes. Este diseño incorporó un mecanismo de liberación y almacenamiento de energía muy eficiente y un mecanismo de aleteo integrado.

Se desarrolló un robot con características similares a las langostas. 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.

Se probó el rendimiento del robot y los resultados demostraron que era capaz de saltar a una altura aproximada de 0,9 m con un peso de 23 g y batiendo sus alas a una frecuencia de aproximadamente 19 Hz. El robot probado sin batir alas tuvo un desempeño menos impresionante, mostrando aproximadamente un 30% de disminución en el rendimiento de salto en comparación con el robot con alas. Estos resultados son bastante impresionantes, ya que se esperaba que ocurriera lo contrario, ya que el peso de las alas debería haber impactado el salto.

Aproximaciones

• Optimización del producto
• Planificación de la moción
• La captura de moción puede realizarse en humanos, insectos y otros organismos.
• Aprendizaje de máquinas, típicamente con aprendizaje de refuerzo.

Investigadores destacados en el campo

• Rodney Brooks
• Marc Raibert
• Jessica Hodgins
• Red Whittaker
• Shuuji Kajita, que introdujo el control de previsualización para realizar la naturaleza anticipada de caminar en robots humanoides del Proyecto Robotics Humanoid.