Locomoción¶

¿Qué es la locomoción?

Mecanismos que permiten a un robot moverse sin límites en su entorno.

¿Por qué es importante?

¿Cómo nos movemos? Métodos de locomoción

caminar, saltar, correr, deslizar, patinar, nadar, volar, rodar.

Inspiración Biológica¶

  • Muchos mecanismos de locomoción robótica se inspiran en sus contrapartes biológicas.
  • Excepción: La rueda activa, una invención humana muy eficiente en terreno plano.
  • El caminar bípedo se aproxima a un polígono rodante.

Desafíos de la Inspiración Biológica¶

  • Replicar la naturaleza es extremadamente difícil.
  • Complejidad mecánica: Sistemas biológicos logran gran complejidad mediante replicación celular, no factible en la fabricación humana.
  • Miniaturización y robustez: Insectos logran niveles difíciles de igualar.
  • Almacenamiento de energía y actuadores: Sistemas biológicos superan a los artificiales en torque, respuesta y eficiencia.

Opciones Principales de Locomoción Robótica¶

  • Generalmente se utilizan dos enfoques principales:
    • Mecanismos con ruedas: Tecnología humana bien conocida para vehículos.
    • Número reducido de patas articuladas: El enfoque biológico más simple.

Locomoción con Patas: Ventajas y Desventajas¶

  • Ventajas:
    • Adaptabilidad y maniobrabilidad en terreno irregular.
    • Capacidad de cruzar huecos.
    • Potencial para manipular objetos.
  • Desventajas:
    • Mayor complejidad mecánica.
    • Mayor requerimiento de potencia.

Locomoción con Ruedas: Ventajas y Desventajas¶

  • Ventajas:
    • Simples mecánicamente.
    • Extremadamente eficientes en terreno plano (1-2 órdenes de magnitud más que las patas).
  • Desventajas:
    • Eficiencia disminuye en terreno blando por la fricción de rodadura.
    • Requiere superficies planas y duras para máxima eficiencia.

Consideraciones Clave para la Locomoción¶

  • Estabilidad: Número y geometría de puntos de contacto, centro de gravedad, estática/dinámica, inclinación del terreno.
  • Características de contacto: Tamaño y forma del contacto, ángulo, fricción.
  • Tipo de entorno: Estructura, medio (agua, aire, suelo blando/duro).

Robots con Patas: Configuraciones y Estabilidad¶

  • Tres patas: Pueden lograr estabilidad estática si el centro de gravedad está dentro del triángulo de contacto.
  • Seis patas: Permiten la marcha estática con un trípode de apoyo constante.
  • Cuatro patas: Estables al estar quietos, pero la marcha requiere desplazamiento activo del centro de gravedad.
  • Dos patas: Requieren control activo continuo para el equilibrio.

Robots con Patas: Grados de Libertad (DOF)¶

  • Mínimo de dos DOF por pierna para movimiento básico (levantar y avanzar).
  • Tres DOF para maniobras más complejas (flexión de cadera, abducción, flexión de rodilla).
  • Cuatro DOF (incluyendo el tobillo) para un contacto más consistente con el suelo (robots bípedos avanzados).
  • Más DOF aumentan la maniobrabilidad pero también la energía, el control y la masa.

Robots Unipedos : Raiber Hopper¶

Robots Unipedos : Bow Leg Hopper¶

Bowleg hopper

Robots Bípedos : Sony SDR-4X¶

Robots Bípedos : Honda Asimo¶

Robots Bípedos : Optimus, Atlas, G1¶

Robots Cuadrúpedos: Sony AIBO¶

Robots Hexápodos: Genghis¶

Robots Hexápodos: Lauron V¶

Robots con Ruedas: Tipos de Ruedas¶

  • Rueda estándar: Dos DOF, direccional, el centro de rotación pasa por el contacto.
  • Rueda castor: Dos DOF, gira alrededor de un eje desplazado, imparte fuerza al chasis al girar.
  • Rueda sueca: Tres DOF, rodillos pasivos alrededor, movimiento con baja resistencia en otras direcciones.
  • Rueda esférica: Omnidireccional, difícil implementación técnica.

Robots con Ruedas: Geometría y Configuraciones¶

  • La elección del tipo y la disposición de las ruedas afecta la maniobrabilidad, la controlabilidad y la estabilidad.
  • Variedad de configuraciones según el número de ruedas.
  • Estabilidad mínima: Dos ruedas con centro de masa bajo el eje. Tres ruedas para estabilidad convencional.

Robots con Ruedas: Maniobrabilidad y Controlabilidad¶

  • Omnidireccionalidad: Capacidad de moverse en cualquier dirección sin cambiar la orientación (ruedas suecas o esféricas). Ejemplo: Uranus.
  • Maniobrabilidad vs. Controlabilidad: Generalmente una correlación inversa. Los diseños omnidireccionales requieren más procesamiento y pueden tener más deslizamiento.

Caso: Synchro Drive¶

Tres ruedas dirigidas y motorizadas con dos motores. Útil para omnidireccionalidad, pero la orientación del chasis puede derivar.

Caso: Omnidirectional Drive con ruedas esféricas¶

Caso: Omnidirectional Drive con ruedas suecas (mecanum)¶

Caso: Omnidirectional Drive con ruedas castor¶

Estudios de Caso: Tracked y Walking Wheels¶

  • Tracked (Orugas): Gran contacto con el suelo, buena maniobrabilidad en terreno suelto, pero dirección por deslizamiento/derrape (ejemplo: Nanokhod). Navegación menos precisa.
  • Walking Wheels (Híbridos): Combinan adaptabilidad de patas con eficiencia de ruedas.
    • Sojourner: Puede superar obstáculos del tamaño de las ruedas.
    • Shrimp: Ocho ruedas motorizadas, trepa objetos hasta el doble del diámetro de la rueda.
    • Personal Rover: Desplazamiento activo del centro de masa para trepar.

Tracked¶

Walking Wheels : Sojourner¶

Walking Wheels : Shrimp¶

Walking Wheels¶

Conclusiones y Tendencias Futuras¶

  • La elección de la locomoción implica compromisos entre eficiencia, complejidad y adaptabilidad.
  • La robótica móvil avanza hacia sistemas mecánicos más intrincados con control sofisticado.
  • Se espera un aumento de robots híbridos que combinen ventajas de diferentes mecanismos.
  • El futuro verá robots expertos diseñados para nichos ambientales específicos.