sábado, 20 de abril de 2013

Robots flexibles


Hace unas décadas, el enfoque para la programación de robots era puramente analítico. Fundamentalmente se basaba en capturar información de los sensores, si es que los había, calcular las coordenadas a las que debía moverse el robot y controlar los motores para alcanzar dichas coordenadas. Con esto se construían controladores rígidos que tenían serios problemas para gestionar imprevistos como la aparición de un objeto nuevo en escena o la modificación del entorno. Esta rigidez se ha traducido en el acervo popular de diversas formas, desde los movimientos ortopédicos de los robots cinematográficos más famosos hasta la voz sin inflexiones utilizada para imitarlos.



A finales de la década de los años 1980 aparece un enfoque nuevo, denominado robótica reactiva o robótica basada en comportamientos, impulsado, entre otros, por Rodney Brooks. En dicho enfoque se rompe con la estructura centralizada y con la planificación pormenorizada usada hasta entonces y se introduce el concepto de “comportamiento”. Un comportamiento es un programa muy simple que se activa en ciertas condiciones y actúa sobre los motores del robot en función de las medidas sensoriales. Algo así como: “si el sensor ultrasónico de la derecha mide una distancia de menos de cincuenta centímetros hasta un obstáculo, gira diez grados a la izquierda”. Parecería que con instrucciones tan simples no es posible resolver problemas complejos, pero sorprendentemente los controladores construidos bajo este paradigma no sólo se desenvuelven bien en entornos complejos, sino que viendo a robots controlados de este modo se siente la inquietante sensación de estar viendo los movimientos de un ser vivo, no de una máquina.

Se populariza desde entonces una idea que quizá pueda aplicarse también a los animales e incluso a los propios humanos: la complejidad en el comportamiento de los seres vivos quizá no se deba a la complejidad de su programación interna, sino a un conjunto de algoritmos simples aplicados a un medio complejo. Es decir, sería la complejidad del medio la que se refleja en la complejidad del comportamiento animal y humano. Algunos de los precursores de estos robots flexibles son los espectaculares prototipos del “Leg Lab” del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Uno de los más sorprendentes es el monópodo, que demuestra que la naturaleza no lo ha inventado todo: no existen animales con una sola pata, al menos hasta donde se sabe.

En tiempos actuales la exigencia de las máximas prestaciones en las maquinas, al mínimo costo, conduce inevitablemente a la reducción de las masas de las piezas en movimiento, lo que permite reducir los tiempos de ciclo, reducir el tamaño del actuador etc. Todas son ventajas excepto en un punto: al reducir la masa las piezas pierden rigidez y la hipótesis de solido rígido deja de ser válida. Esta tendencia afecta también a las estructuras, que al hacerse muy esbeltas tienen tendencia a vibrar demasiado y necesitan métodos de control activo. Esta tendencia se agrava con la utilización de nuevos materiales compuestos que permiten realizar elementos resistentes muy ligeros pero menos rígidos que los convencionales. Debido a lo escrito, es muy interesante estudiar el comportamiento de los sistemas con elementos flexibles, así como de las técnicas que permiten controlar las vibraciones en los sistemas flexibles de manera que puedan utilizarse en aplicaciones reservadas hasta ahora a sistemas rígidos.

Las aplicaciones potenciales son muy numerosas, pues van desde las estructuras hasta las maquinas: (a) Grandes estructuras en las que se utilizan sistemas activos para controlar las vibraciones. (b) Puentes levadizos, en los que se rigidizan sus elementos móviles, aumentando la sección de las vigas, para evitar las vibraciones. (c) Alerones y elementos similares en aviones. En aeronáutica toda reducción de masa que no disminuye la seguridad es bienvenida. (d) Sistemas autoportantes como las grúas o plataformas utilizadas para el mantenimiento. En estos sistemas es muy interesante cualquier reducción de masas, pues reduce las especificaciones del vehículo portador. (e) Las antenas de radar y de comunicaciones situadas en vehículos necesitan, en muchos casos, sistemas de orientación activa. Utilizar elementos flexibles no supondría un costo excesivo. (f) Robots flexibles. En principio los robots industriales se diseñaron de manera que sus estructuras mecánicas se comporten como sólidos rígidos. Para ello, se exige a sus elementos estructurales que su primera frecuencia propia sea diez veces mayor que su frecuencia de trabajo. Esta condición es insostenible en numerosas aplicaciones.

La robótica flexible surge de la necesidad de construir robots de grandes dimensiones y de poco peso, con objeto de ser transportados para aplicaciones aeroespaciales. Una forma de conseguir esto, además de la solución obvia de utilizar materiales más ligeros que a menudo no es factible, consiste en reducir la sección transversal de los eslabones del robot. Con ello se consiguen robots más “esbeltos”, pero que plantean dos problemas importantes: (1) en situaciones estáticas aparecen deflexiones que hacen que la posición final del útil instalado en el extremo del robot no sea la deseada, (2) durante el movimiento aparecen oscilaciones en el extremo del robot muy poco amortiguadas, lo cual obliga a esperar un tiempo considerable, entre la finalización de la trayectoria ordenada y la desaparición de estas vibraciones para ejecutar una acción con el útil del robot. Pronto se extiende este problema a aplicaciones terrestres. Como consecuencia de lo anterior la flexibilidad ha sido considerada tradicionalmente como un problema.

En la década de los años 1970 surge en la ciencia una nueva filosofía de robots manipuladores. Son los robots flexibles. Con ellos aparecen nuevas y novedosas aplicaciones en la industria aeroespacial puesto que robots más ligeros permiten ser utilizados empleando menor cantidad de energía. En la década de los 80 se realiza un mayor esfuerzo de investigación en este ámbito. Aparece un elevado número de publicaciones al respecto. Posteriormente, en los años 1990, se estudió la viabilidad de este tipo de estructuras en manipulación de objetos empleando un control de fuerza. Las ventajas de estos robots frente a los rígidos es precisamente su flexibilidad, que permite amortiguar el impacto con el objeto y, así mismo, el impacto se detecta instantáneamente por aparecer en la estructura un cambio en la dinámica. En estos casos de impacto el parámetro más relevante a tener en cuenta es la constante de rigidez de la estructura flexible.

Un robot flexible es aquél robot en el cual algunos de sus elementos constructivos tienen una elasticidad considerable comparada con la elasticidad de los elementos de los robots tradicionales, considerados rígidos. El empleo de robots flexibles, resulta necesario cuando se requiere bajo peso y gran alcance. La situación es típica en manipuladores espaciales, pero también se presenta en otras aplicaciones de la robótica tales como la construcción. Los robots flexibles constituyen un campo de investigación que ha despertado gran interés en los últimos años entre la comunidad científica dedicada a la robótica. Esto ha sido motivado por la necesidad, impuesta por el desarrollo de la industria aeroespacial, de construir robots más grandes y ligeros. Por otro lado, la dinámica de estos robots es muy compleja, lo que ha atraído, además, el interés de muchos investigadores de los campos de la mecánica y del control automático.

En un sentido muy amplio puede decirse que un robot flexible es aquel que incluye algún elemento con un cierto grado de flexibilidad, entendiendo por flexibilidad la propiedad mecánica de una pieza para deformarse de forma elástica ante la solicitud de una fuerza o par. Se consideran dos tipos de flexibilidad en robótica: en las articulaciones y en los eslabones. La primera de ellas aparece como consecuencia de la torsión en los elementos que conectan los actuadores o motores con los eslabones y siempre es de tipo rotacional. Se traduce en una variación de ángulos y, por ejemplo, las reductoras de los robots suelen experimentarla cuando están sometidas a movimientos rápidos.

La flexibilidad en los eslabones aparece también como consecuencia de movimientos rápidos, del transporte de grandes cargas o de la generación de grandes fuerzas o momentos en el extremo del robot resultado de la realización de tareas que impliquen contacto con el entorno. En este caso se produce una deflexión en cada eslabón que se traduce en una variación de la posición de su extremo respecto a la posición calculada geométricamente, como si fuera rígido. El fenómeno anterior combinado con la torsión que se produce en el eslabón, también genera una variación de la orientación del extremo. Sin embargo, se suponen despreciables las deformaciones producidas por los fenómenos de tracción o compresión. La flexibilidad en los eslabones es un problema sustancialmente más complejo que el de la flexibilidad en las articulaciones: por cada elemento flexible, en el primer caso aparecen deflexiones en dos direcciones espaciales además de la torsión de la barra mientras que en el segundo caso solo aparece el fenómeno de torsión.

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