El término “robots blandos” designa una amplia clase de sistemas robóticos cuya arquitectura incluye elementos blandos, con mucha mayor elasticidad que los robots rígidos tradicionales. Los robots blandos articulados son robots con partes blandas y rígidas, inspirados en el sistema muscloloesquelético de los animales vertebrados, desde reptiles hasta aves, mamíferos y humanos. La distensibilidad se concentra típicamente en los actuadores, la transmisión y las articulaciones (correspondientes a músculos, tendones y articulaciones), mientras que la estabilidad estructural la proporcionan enlaces rígidos o semirrígidos (correspondientes a los huesos de los vertebrados).
El otro subgrupo de la amplia familia de robots blandos incluye robots blandos continuos , es decir, robots cuyo cuerpo es un continuo deformable, incluidos sus elementos estructurales, actuadores y sensores, y se inspiran en animales invertebrados como pulpos o babosas, o partes de animales. como la trompa de un elefante.
Los robots blandos suelen estar diseñados para exhibir comportamientos naturales, robustez y adaptabilidad y, en ocasiones, imitan las características mecánicas de los sistemas biológicos.
Los robots blandos articulados se construyen inspirándose en las propiedades intrínsecas del sistema músculo-esquelético de los vertebrados, cuya naturaleza dócil permite a los humanos y a los animales realizar de manera efectiva y segura una gran variedad de tareas, que van desde caminar en terrenos irregulares, correr y escalar, hasta captar y manipular. También los hace resilientes a eventos inesperados y altamente dinámicos, como los impactos en el medio ambiente. La interacción de las propiedades físicas de los vertebrados con el control neurosensorial-motor hace que el movimiento sea muy eficiente desde el punto de vista energético, seguro y eficaz.
Los robots capaces de coexistir y cooperar con las personas y alcanzar o incluso superar su rendimiento requieren una tecnología de actuadores , responsables de mover y controlar el robot, que pueda alcanzar el rendimiento funcional del músculo biológico y su control neuromecánico.
La clase más prometedora de actuadores para robots blandos es la clase de actuadores de impedancia variable (VIA) y la subclase de actuadores de rigidez variable (VSA), dispositivos mecatrónicos complejos que se desarrollan para construir robots diestros, robustos y pasivamente dóciles. [1] Los VSA pueden variar su impedancia directamente a nivel físico, sin necesidad de un control activo capaz de simular diferentes valores de rigidez. La idea de variar la impedancia mecánica de actuación proviene directamente de los sistemas musculoesqueléticos naturales, que a menudo presentan esta característica. [2] [3] [4]
Una clase de Actuadores de Rigidez Variable logran el control simultáneo del robot mediante el uso de dos motores antagónicamente para manipular un resorte no lineal que actúa como transmisión elástica entre cada uno de los motores y la parte móvil, de manera de controlar tanto el punto de equilibrio del robot, y su rigidez o cumplimiento. [5] [6]
Dicho modelo de control es muy similar en filosofía a la hipótesis del punto de equilibrio del control motor humano . Esta similitud hace de la robótica blanda un interesante campo de investigación capaz de intercambiar ideas y conocimientos con la comunidad investigadora en neurociencia motora. [7]
Los actuadores de impedancia variable aumentan el rendimiento de los sistemas robóticos blandos en comparación con los robots rígidos tradicionales en tres aspectos clave: seguridad , resiliencia y eficiencia energética .
Una de las características más revolucionarias y desafiantes de la clase de robots blandos articulados es la interacción física entre humanos y robots. Los robots blandos diseñados para interactuar físicamente con personas están diseñados para coexistir y cooperar con los humanos en aplicaciones como manipulación industrial asistida, montaje colaborativo, trabajo doméstico, entretenimiento, rehabilitación o aplicaciones médicas. Claramente, estos robots deben cumplir requisitos diferentes de los que normalmente se cumplen en las aplicaciones industriales convencionales: si bien podría ser posible relajar los requisitos sobre la velocidad de ejecución y la precisión absoluta, preocupaciones como la seguridad y la confiabilidad se vuelven de gran importancia cuando los robots tienen que interactuar con humanos. . [8]
La seguridad se puede aumentar de diferentes maneras. Los métodos clásicos incluyen control y sensorización, por ejemplo, pieles sensibles a la proximidad, o la adición de elementos blandos externos (coberturas suaves y flexibles o bolsas de aire colocadas alrededor del brazo para aumentar las propiedades de absorción de energía de las capas protectoras).
La detección y el control avanzados pueden realizar un comportamiento "suave" a través del software. [9] Articulated Soft Robotics implementa un enfoque diferente para aumentar el nivel de seguridad de los robots que interactúan con humanos al introducir cumplimiento mecánico y amortiguación directamente en el nivel de diseño mecánico., [10] [11]
“Con este enfoque, los investigadores tienden a sustituir el cálculo de un comportamiento basado en sensores y su realización propensa a errores mediante el control activo de un actuador, por su encarnación física directa, como en el ejemplo natural. Tener flexibilidad y amortiguación en la estructura del robot no es de ninguna manera suficiente para garantizar su seguridad, ya que de hecho podría ser incluso contraproducente para la energía elástica potencialmente almacenada: al igual que un brazo humano, un brazo robótico blando necesitará un control inteligente para que se comporte bien. suavemente como cuando acaricias a un bebé, o con fuerza como cuando golpeas” . [12]
La interacción física de un robot con su entorno también puede ser peligrosa para el propio robot. De hecho, el número de veces que un robot resulta dañado debido a impactos o esfuerzos excesivos es bastante elevado.
La resiliencia a los impactos no sólo es fundamental para lograr aplicaciones viables de los robots en la vida cotidiana, sino que también sería muy útil en entornos industriales, ampliando sustancialmente el ámbito de aplicabilidad de la tecnología robótica.
Las tecnologías de robótica blanda pueden proporcionar soluciones que sean efectivas para absorber impactos y reducir aceleraciones: los materiales blandos pueden usarse como cubiertas o incluso como elementos estructurales en las extremidades de los robots, pero el principal desafío tecnológico sigue siendo los actuadores y transmisiones blandos. [13]
El comportamiento dinámico de los actuadores con cumplimiento controlable garantiza un alto rendimiento, un movimiento realista y una mayor eficiencia energética que los robots rígidos. [14]
La dinámica natural del robot puede adaptarse al entorno y, por tanto, el comportamiento físico intrínseco del sistema resultante se aproxima al movimiento deseado. En estas circunstancias, los actuadores sólo tendrían que inyectar y extraer energía dentro y fuera del sistema para pequeñas acciones correctivas, reduciendo así el consumo de energía. [15]
La idea de incorporar dinámicas deseables en las propiedades físicas de los robots blandos encuentra su aplicación natural en robots humanoides , que deben parecerse a los movimientos de los humanos, o en sistemas robóticos realizados para usos protésicos, por ejemplo, manos artificiales antropomorfas . Un ejemplo relevante de uso son los robots que caminan/corren: [16] de hecho, el hecho de que los sistemas naturales cambien la distensibilidad de su sistema muscular dependiendo de la marcha y las condiciones ambientales, e incluso durante las diferentes fases de la marcha, parece indican la utilidad potencial de los actuadores de impedancia variable (VIA) para la locomoción. [17] Una tendencia emergente de uso de tecnologías VIA está relacionada con el crecimiento de una nueva categoría de robots industriales conectados a Industry4.0 , los Co-Bots .
La exploración del potencial total de los robots blandos está dando lugar a más y más aplicaciones en las que los robots superan el rendimiento de los robots convencionales, y se cree ampliamente que aún quedan más aplicaciones por venir [18]
