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 diversas razones, por ejemplo, para atravesar terrenos accidentados, así como para moverse e interactuar en entornos humanos. Además, el estudio de 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, coordinar numerosas articulaciones de robots incluso para tareas sencillas, como subir y bajar escaleras, es difícil. La locomoción autónoma de los robots es un gran obstáculo tecnológico para muchas áreas de la robótica, como los humanoides (como Asimo de Honda ).
Los robots que caminan simulan la marcha humana o animal , como reemplazo del movimiento con ruedas. El movimiento con patas permite sortear superficies irregulares, escalones y otras áreas que serían difíciles de alcanzar para un robot con ruedas, y además causa menos daño al terreno ambiental que los robots con ruedas, que lo erosionarían. [1]
Los robots hexápodos se basan en la locomoción de los insectos, los más populares son la cucaracha [2] y el insecto palo , cuya producción neurológica y sensorial es menos compleja que la de otros animales. Las múltiples patas permiten varios modos de andar diferentes, incluso si una pata está dañada, lo que hace que sus movimientos sean más útiles en robots que transportan objetos.
Algunos ejemplos de robots de carrera avanzados incluyen ASIMO , BigDog , HUBO 2 , RunBot y Toyota Partner Robot .
En términos de eficiencia energética sobre superficies duras y planas, los robots con ruedas son los más eficientes, ya que una rueda ideal, indeformable y que rueda (pero no resbala) no pierde energía, a diferencia de los robots con patas , que sufren un impacto con el talón y, como resultado, pierden energía.
Para simplificar, la mayoría de los robots móviles tienen cuatro ruedas o una serie de orugas 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 una reducción de piezas, además de permitir que un robot se desplace en lugares reducidos en los que un robot de cuatro ruedas no podría hacerlo.
Ejemplos: Boe-Bot , Cosmobot , Elmer , Elsie , Enon , HERO , iRobot Create , iRobot 's Roomba, Johns Hopkins Beast , Land Walker , robot Modulus , Musa , Omnibot , PaPeRo , Phobot , robot Pocketdelta , Push the Talking Trash Can , RB5X , Rovio , Seropi , Shakey el robot , Sony Rolly , Spykee , TiLR , Topo , TR Araña y Wakamaru .
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 palo de pogo . Cuando el robot cae hacia un lado, salta ligeramente en esa dirección para agarrarse. [3] Pronto, el algoritmo se generalizó a dos y cuatro piernas. Se demostró un robot bípedo que corría e incluso daba volteretas . [4] También se demostró un cuadrúpedo que podía trotar , correr, caminar a paso lento y saltar. [5]
Ejemplos:
La acción mecánica coordinada y secuencial que tiene la apariencia de una onda viajera se denomina ritmo u onda metacrónica y es utilizada en la naturaleza por los ciliados para el transporte y por los gusanos y artrópodos para la locomoción.
Se han desarrollado con éxito varios robots serpiente que imitan el movimiento de las serpientes reales y pueden desplazarse por espacios muy reducidos, lo que significa que algún día podrían utilizarse para buscar personas atrapadas en edificios derrumbados. [8] El robot serpiente japonés ACM-R5 [9] puede incluso desplazarse tanto por tierra como por agua. [10]
Ejemplos: Robot con brazo de serpiente , Roboboa y Snakebot .
La braquiación permite a los robots desplazarse balanceándose, utilizando únicamente energía para agarrar y soltar superficies. [11] Este movimiento es similar al de un simio balanceándose de un árbol a otro. Los dos tipos de braquiación pueden compararse con los movimientos de caminar bípedo (contacto continuo) o correr (rebote). El contacto continuo es cuando una mano o mecanismo de agarre está siempre unido a la superficie que se está cruzando; el rebote emplea una fase de "vuelo" aéreo de una superficie/extremidad a la siguiente.
Los robots también pueden diseñarse para realizar movimientos de locomoción en múltiples modos. Por ejemplo, el robot serpiente bípedo reconfigurable [12] puede deslizarse como una serpiente y caminar como un robot bípedo.
El deseo de crear robots con capacidades de locomoción dinámica ha llevado a los científicos a buscar soluciones en la naturaleza. Se han inventado varios robots capaces de realizar movimientos básicos en un solo modo, pero se ha descubierto que carecen de varias capacidades, lo que limita sus funciones y aplicaciones. Se necesitan robots muy inteligentes en diversas 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 locomoción. Resulta que varios animales han servido de inspiración para el diseño de varios robots. Algunos de estos animales son:
Pteromyini (ardillas voladoras)
Los pteromyini (una tribu formada por ardillas voladoras) exhiben una gran movilidad en la tierra haciendo uso de su habilidad para caminar en cuatro patas con altos grados de libertad (DoF). En el aire, las ardillas voladoras se deslizan utilizando fuerzas de sustentación de la membrana entre sus patas. Poseen una membrana altamente flexible que les permite un movimiento sin restricciones de las patas. [13] Utilizan su membrana altamente elástica para planear mientras están en el aire y demuestran un movimiento ágil en el suelo. Además, los pteromyini pueden exhibir una locomoción multimodal debido a la membrana que conecta las patas delanteras y traseras, lo que también mejora su capacidad de planeo. [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, puntas de las alas y cola, lo que ayuda a minimizar las fluctuaciones y la pérdida innecesaria de energía. [13]
Los pterosaurios pueden aumentar su capacidad de planeo gracias a los numerosos atributos físicos que poseen.
La estructura muscular flexible cumple múltiples propósitos. Por un lado, el plagiopatagio , que sirve como generador principal de sustentación 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. El control de la tensión puede ayudar en última instancia 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 esta no se hunda cuando camina. [15]
El propatagio y el uropatagio sirven para proporcionar elevación adicional a Pteromyini. [15] Mientras que el propatagio está situado entre la cabeza y las extremidades anteriores de la ardilla voladora, el uropatagio está ubicado en la cola y las extremidades traseras y estos sirven para proporcionar a la ardilla voladora mayor agilidad y arrastre para aterrizar. [15]
Además, la ardilla voladora posee estructuras musculares gruesas similares a cuerdas en los bordes de su membrana para mantener la forma de las membranas. [15] Estas estructuras musculares llamadas platisma, tibiocarpiano y semitendinoso , están ubicadas en el propatagio, plagiopatagio y uropatagio respectivamente. [15] Estas estructuras musculares gruesas sirven para proteger contra el aleteo innecesario debido a las fuertes presiones del viento durante el planeo, 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 la resistencia inducida debido a la formación de vórtices en las puntas de las alas . [14] 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 plegar las puntas de sus alas mientras planean utilizando sus pulgares. Esto sirve para evitar que las puntas de las alas se hundan indeseadamente. [14]
La cola de la ardilla voladora le permite mejorar su capacidad de planeo, ya que desempeña un papel fundamental. A diferencia de otros vertebrados, los Pteromyini poseen una cola aplanada para ganar más superficie aerodinámica a medida que planean. [16] [17] Esto también le permite a la ardilla voladora mantener la estabilidad del ángulo de inclinación de su cola. Esto es particularmente útil durante el aterrizaje, ya que la ardilla voladora puede ampliar su ángulo de inclinación e inducir más resistencia para desacelerar y aterrizar de manera segura. [15]
Además, las patas y la cola de los Pteromyini sirven para controlar la dirección de su planeo. Debido a la flexibilidad de las membranas alrededor de las patas, se controla el ángulo de la cuerda y el ángulo diedro entre la membrana y el plano coronal del cuerpo. [13] Esto permite al animal crear movimientos de balanceo, cabeceo y guiñada que a su vez controlan la velocidad y la dirección del planeo. [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 aflojando la tensión entre las membranas de sus patas. [18] [19]
Desmodus Rotundus (murciélago vampiro)
Se sabe que los murciélagos vampiros comunes poseen potentes modos de locomoción terrestre, como el salto, y locomoción aérea, como el planeo. Varios estudios han demostrado que la morfología del murciélago le permite alternar fácil y eficazmente entre ambos modos de locomoción. [20] La anatomía que ayuda en esto se construye esencialmente alrededor del músculo más grande del cuerpo del murciélago, el pectoral profundo (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, el húmero, el cúbito y el radio. Dado que ya existe un intercambio de componentes para ambos modos, no se necesitan músculos adicionales cuando se pasa del salto al planeo. [20]
Un estudio detallado de la morfología del hombro del murciélago muestra que los huesos del brazo son ligeramente más resistentes y el cúbito y el radio se han fusionado para acomodar las pesadas fuerzas de reacción del suelo [20].
Schistocerca gregaria (langosta del desierto)
La langosta del desierto es conocida por su capacidad de saltar y volar a grandes distancias, así como de arrastrarse por la tierra. [21] 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 gran músculo extensor de la tibia, el pequeño músculo flexor de la tibia y la cutícula engrosada con forma de plátano. [22] [23] Cuando el músculo de la tibia 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 piernas. [25]
Para que el salto sea 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 la adecuada para lograr un despegue rápido y una altura de salto decente. La fuerza también debe generarse rápidamente. Para pasar de manera efectiva del modo salto al modo vuelo, el insecto debe ajustar el tiempo durante la apertura de las alas para maximizar la distancia y la altura del salto. Cuando está en el cenit de su salto, se activa el modo vuelo. [22]
Modelado de un robot multimodal que camina y se desliza siguiendo el modelo de 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. Por lo tanto, 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 que se pudieran lograr las capacidades aerodinámicas previstas de esta membrana. Además, el diseño de la membrana afectaría el diseño de las piernas, ya que la membrana está unida a las piernas. [13]
2. La membrana debía 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 debía ser controlada debido a que una flexibilidad excesiva podría provocar una pérdida significativa de energía causada por las oscilaciones en las regiones de la membrana donde se produce una fuerte presión. [13]
3. La pata del robot tuvo que ser diseñada para permitir pares apropiados para caminar y deslizarse. [13]
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 dinámicos. Al imitar los gruesos haces musculares 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. [13] Además, la cantidad de resistencia en el ala del robot se redujo mediante el uso de puntas de ala retráctiles, lo que permitió mejorar las capacidades de planeo. [14] Además, la pata del robot se diseñó para incorporar suficiente par después de imitar la anatomía de la pata de Pteryomini mediante análisis de trabajo virtual. [13]
Tras el diseño de la pata y la membrana del robot, se determinó que su índice de planeo (GR) medio era de 1,88. El robot funcionó de forma eficaz, caminando en varios patrones de marcha y arrastrándose con sus patas de gran profundidad de campo. [13] El robot también pudo aterrizar de forma segura. Estas actuaciones demostraron las capacidades de planeo y marcha del robot y su locomoción multimodal.
Modelado de un robot multimodal saltador y planeador basado en el 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 planeo 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 además 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 planeo que ocurre hasta que se alcanza el punto máximo 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. [20] En esta etapa, el robot se desliza hacia abajo.
La anatomía del brazo del murciélago vampiro desempeña un papel fundamental en el diseño de la pierna del robot. Para minimizar el número de grados de libertad (GdF), los dos componentes del brazo se reflejan en el plano xz. [20] Esto crea el diseño de cuatro barras de la estructura de la pierna del robot, lo que da como resultado solo dos GdF independientes. [20]
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 corriente continua que integraba las funciones de salto y aleteo. [23] Fue diseñado como una incorporación del mecanismo de manivela-deslizador invertido para la construcción de las patas, un sistema de embrague de garras para servir como mecanismo de cabrestante y un mecanismo de piñón y cremallera utilizado para el sistema de aleteo de alas. [20] Este diseño incorporaba un mecanismo de almacenamiento y liberación de energía muy eficiente y un mecanismo de aleteo de alas 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 accionado por un solo motor que le permitía realizar sus movimientos de salto y aleteo. Al igual que el movimiento de la langosta, el movimiento del robot se inicia flexionando las patas hasta la posición de almacenamiento máximo de energía, después de lo cual la energía se libera inmediatamente para generar la fuerza necesaria para lograr el vuelo. [20]
El robot fue probado para determinar su rendimiento y los resultados demostraron que el robot era capaz de saltar a una altura aproximada de 0,9 m mientras pesaba 23 g y batía sus alas a una frecuencia de aproximadamente 19 Hz. [20] El robot probado sin batir las alas tuvo un rendimiento menos impresionante, mostrando una disminución de aproximadamente el 30% en el rendimiento del salto en comparación con el robot con alas. [20] Estos resultados son bastante impresionantes [ editorializando ] ya que se espera que ocurra lo contrario, ya que el peso de las alas debería haber afectado al salto.
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