Locomoción
- Diseño de Ruedas
- Cinemática
- Forma del robot
Adaptación de plataformas
móviles
Locomoción por medio
de patas
Locomoción
Hay una gran variedad de modos de moverse sobre una superficie sólida, entre los robots las más comunes son las ruedas, las cadenas y las patas.Los vehículos de ruedas son, con mucho, los más populares por varias razones prácticas. Los robots con ruedas son más sencillos y más fáciles de construir, la carga que pueden transportar es mayor relativamente. Tanto los robots basados en cadenas como en patas se pueden considerar más complicados y pesados generalmente que los robots de ruedas para una misma carga útil. A esto podemos añadir el que se pueden transformar vehículos de ruedas de radio control para usarlos como bases de robots.
La principal desventaja de las ruedas es su empleo en terreno irregular, en el que se comportan bastante mal. Normalmente un vehículo de ruedas podrá sobrepasar un obstáculo que tenga una altura no superior al radio de sus ruedas, entonces una solución es utilizar ruedas mayores que los posibles obstáculos a superar; sin embargo, esta solución, a veces, puede no ser práctica.
Para robots que vayan a funcionar en un entorno natural las cadenas son una opción muy buena porque las cadenas permiten al robot superar obstáculos relativamente mayores y son menos susceptibles que las ruedas de sufrir daños por el entorno, como piedras o arena. El principal inconveniente de las cadenas es su ineficacia, puesto que se produce deslizamiento sobre el terreno al avanzar y al girar. Si la navegación se basa en el conocimiento del punto en que se encuentra el robot y el cálculo de posiciones futuras sin error, entonces las cadenas acumulan tal cantidad de error que hace inviable la navegación por este sistema. En mayor o menor medida cualquiera de los sistemas de locomoción contemplados aquí adolece de este problema.
Potencialmente los robots con patas pueden superar con mayor facilidad que los otros los problemas de los terrenos irregulares. A pesar de que hay un gran interés en diseñar este tipo de robots, su construcción plantea numerosos retos. Estos retos se originan principalmente en el gran número de grados de libertad que requieren los sistemas con patas. Cada pata necesita como mínimo un par de motores lo que produce un mayor coste, así como una mayor complejidad y menor fiabilidad. Es más los algoritmos de control se vuelven mucho más complicados por el gran número de movimientos a coordinar, los sistemas de patas son un área de investigación muy activo.
Diseño de ruedas
Existen varios diseños de ruedas para elegir cuando se quiere construir una plataforma móvil sobre ruedas, diferencial, sincronizada, triciclo y de coche.Diferencial
Tanto desde el punto de vista de la programación como de la construcción, el diseño diferencial es uno de los menos complicados sistemas de locomoción. El robot puede ir recto, girar sobre sí mismo y trazar curvas.Un problema importante es cómo resolver el equilibrio del robot, hay que buscarle un apoyo adicional a las dos ruedas ya existentes, esto se consigue mediante una o dos ruedas de apoyo añadidas en un diseño triangular o romboidal. El diseño triangular puede no ser suficiente dependiendo de la distribución de pesos del robot, y el romboidal puede provocar inadaptación al terreno si éste es irregular lo que puede exigir alguna clase de suspensión.
Otra consideración a hacer en este diseño es cómo conseguir que el robot se mueva recto, para que el robot se mueva en línea recta sus ruedas tienen que girar a la misma velocidad.
Cuando los motores encuentran diferentes resistencias (una rueda sobre moqueta y la otra sobre terrazo) las velocidades de los motores varían y el robot girará incluso aún cuando se le haya ajustado inicialmente para que vaya recto. Esto quiere decir que la velocidad debe ser controlada dinámicamente, o sea, debe existir un medio de monitorizar y cambiar la velocidad del motor mientras el robot avanza. De esta manera la simplicidad del diseño queda minimizada por la complejidad del sistema de control de la velocidad; no obstante la reducción de la complejidad mecánica en detrimento de la complejidad de la electrónica y del software es frecuentemente una elección más barata y fiable.
Diseño sincronizado
En este diseño todas las ruedas (generalmente tres) son tanto de dirección como motrices, las ruedas están enclavadas de tal forma que siempre apuntan en la misma dirección. Para cambiar de dirección el robot gira simultáneamente todas sus ruedas alrededor de un eje vertical, de modo que la dirección del robot cambia, pero su chasis sigue apuntando en la misma dirección que tenía. Si el robot tiene una parte delantera (es asimétrico) presumiblemente donde se concentran sus sensores, se tendrá que arbitrar un procedimiento para que su cuerpo se oriente en la misma dirección que sus ruedas. El diseño sincronizado supera muchas de las dificultades que plantean el diseño diferencial, en triciclo y de coche, pero a costa de una mayor complejidad mecánica.Diseño de triciclo y coche
El diseño de coche con sus cuatro ruedas con suspensión proporciona una buena estabilidad, el diseño en triciclo tiene unas prestaciones similares con la ventaja de ser mecánicamente más simple ya que el coche necesita alguna unión entre las ruedas direccionables. En general en estos dos diseños las ruedas direccionables no son motrices, y no es necesario controlar la velocidad de las ruedas para que el robot se mantenga recto. Esta simplificación tiene su precio como veremos en el próximo apartado.Cinemática
La cinemática del robot trata de cómo se mueve el mismo, dado que la dirección adopta tal y tal ángulo y que cada rueda gira tantas veces, ¿dónde acabará el robot y qué camino tomará?Los diseños diferencial y sincronizado tienen una ventaja sutil sobre los otros dos tipos, la diferencia estriba en sus cinemáticas. Considere un triciclo, el cual tiene tres grados de libertad cuando se mueve sobre una superficie plana. Es decir, en relación con un sistema global de coordenadas, el robot puede estar en cualquier posición especificado por dos coordenadas x e y, y apuntando en una dirección especificada por una tercera coordenada, el ángulo q . Estos tres grados de libertad (x,y,q ) nos dan la distancia y el ángulo entre el sistema de coordenadas global, y una referencia local en el robot.
Nos gustaría tener la posibilidad de posicionar y orientar nuestro robot en cualquier lugar sobre el plano, es decir, sin considerar de donde arranca, si le damos x,y,q el robot debe poder moverse a esa posición. Sin embargo, hay un problema, para alcanzar esos tres grados de libertad el robot sólo puede controlar dos parámetros: la dirección, ángulo a , y la distancia total recorrida, S. Esto quiere decir que la orientación del robot y su posición están ligados, para girar tiene que moverse hacia delante o hacia atrás. El robot no puede ir directamente de una posición y/o orientación a otra, incluso aún cuando no haya nada en su camino. Para alcanzar una posición y orientación deseadas simultáneamente, el robot tiene que seguir algún camino, posiblemente complejo. Los detalles de ese camino se complican todavía más con la presencia de obstáculos, esta es la razón por la que el aparcamiento en línea es difícil; sin embargo, un robot basado en los diseños diferencial o sincronizado puede, al girar sobre sí mismo, desacoplar efectivamente su posición de su orientación.
Forma de un robot
La forma de un robot puede tener un gran impacto en sus prestaciones, un robot no cilíndrico corre mayor riesgo de quedar atrapado por una disposición desfavorable de obstáculos o de fallar en encontrar un camino en un espacio estrecho o intrincado.Consideremos dos robots del mismo tamaño uno cilíndrico y el otro cuadrado, ambos encuentran un paso estrecho según se mueven. Un algoritmo sencillo permitirá al robot cilíndrico pasar, el robot choca, gira y lo intenta de nuevo hasta que pasa. Esto es así de simple porque el robot es capaz de girar estando en contacto con el obstáculo.
El robot cuadrado, por el contrario, tiene que retroceder y girar si quiere usar la misma táctica. Por tanto, siempre se requiere un algoritmo más complejo para la navegación de un robot cuadrado que para la de uno cilíndrico. Para entender la razón de esto, tenemos que apelar a un concepto avanzado en robótica conocido como espacio de configuraciones cuyo autor es Tomás Lozano-Pérez.
Adaptación de plataformas móviles
Una descripción más detallada de este punto se puede encontrar en Adaptación plataformas móviles.Locomoción por medio de patas
En general, los sistemas que emplean patas son bastante complejos, sin embargo hay variantes. Un sistema de patas tipo insecto se puede construir empleando sólo parejas de servos.Para dar un paso un servo abre la pata alejándola del cuerpo
para salvar si hay un obstáculo, luego el otro servo de la pareja
gira para que la pata se mueva adelante. El primer servo, después,
baja la pata hasta que ésta toque el suelo, finalmente el segundo
servo gira hacia atrás empujando el cuerpo del robot adelante. El
movimiento coordinado de seis patas permite al robot moverse adelante,
atrás y girar.
