Metodología de Diseño de Robots Semi-Pasivos

Abstract

El diseño, la construcción y el control de robots antropomórficos móviles es un desafío aún no resuelto en el ámbito de la robótica móvil. Los robots más avanzados en la actualidad no son capaces de caminar en dos pies de una forma comparable a los seres humanos: tienen problemas al caminar en superficies irregulares, gastan una gran cantidad de energía para desplazarse, caminan de una forma poco natural desde el punto de vista humano, no pueden correr, saltar, ni mucho menos, hacer algún tipo de acrobacia. Existe un compromiso entre la eficiencia energética y la versatilidad de los robots móviles que aún no ha sido resuelto. Clasificando los robots pasivos según su nivel de actuación se obtienen dos grupos de robots: los robots pasivos, que son eficientes energéticamente, pero muy poco versátiles, y los robots activos, que son versátiles, pero muy ineficientes energéticamente. La existencia de estas dos clases de robots con características complementarias dependiendo del enfoque utilizado en su diseño, plantea el desafío de encontrar una solución intermedia que combine las características positivas de ambos enfoques. Este trabajo de tesis propone el diseño de un robot semi-pasivo, consistente en un robot activo, que al momento de ser diseñado, considera las condiciones sobre sus parámetros que permiten la existencia de un ciclo de caminata pasiva. Para lograr el diseño y construcción de este robot semi-pasivo se propone una nueva clase de articulaciones de rigidez variable basadas en el principio de torcer cuerdas para obtener un desplazamiento lineal, simple en su construcción y que permite que la dinámica intrínseca del robot fluya naturalmente. La articulación propuesta es construida y validada, obteniendo buenos resultados según lo esperado para su aplicación en un robot bípedo semi-pasivo. También se propone una nueva metodología que permite encontrar las condiciones sobre los parámetros de un modelo arbitrario de robot de dinámica pasiva que permiten la existencia de un ciclo de caminata pasivo. Esta metodología implementa un proceso de búsqueda que permite encontrar subespacios estables en el espacio de parámetros (regiones con combinaciones de parámetros que producen ciclos de caminata estables) simulando la dinámica del robot para diferentes combinaciones de parámetros. Después de que se seleccionan aleatoriamente las condiciones iniciales, la dinámica del robot se modela paso a paso, verificando la existencia de ciclos de caminata en la sección de Poincaré. La metodología incluye la definición de un algoritmo de búsqueda para explorar el espacio de parámetros, un método para la partición del espacio en hipercubos y su manejo eficiente usando las estructuras de datos apropiadas, y el uso de las denominadas funciones de valor que cuantifican la factibilidad de los parámetros resultantes. La metodología es independiente del robot (puede ser usada con cualquier modelo de caminata de dinámica pasiva, sin importar su complejidad), y es robusta (los subespacios estables incorporan un indicador del margen de estabilidad que se encarga de las diferencias entre el modelo del robot y su realización física). Esta metodología es validada en el diseño de un robot semi-pasivo, el que en simulaciones mediante un software externo presenta un ciclo de caminata de dinámica pasiva según lo predicho por los resultados de la aplicación de la metodología.