Los actuadores neumáticos dan un guepardo robot

Los motores eléctricos han ayudado a incorporar los robots con patas a la corriente principal, ofreciendo una forma sencilla y compacta de controlar las extremidades robóticas con todas las funciones de control sofisticadas que necesita para un movimiento seguro y ágil. Lo que no se puede obtener de los motores eléctricos (al menos más de una vez) es el tipo de potencia instantánea necesaria para igualar el rendimiento de los músculos biológicos. Es por eso que Atlas, posiblemente el robot más poderoso y dinámico que existe en este momento, utiliza actuadores hidráulicos: hacer que un robot de tamaño humano haga una voltereta hacia atrás, esa es prácticamente la única forma de obtener la potencia que necesita.

Inspirados por las maniobras de alta velocidad de los guepardos, los robóticos de la Universidad de Ciudad del Cabo, en Sudáfrica, han comenzado a experimentar con el hermano de la vieja escuela de los actuadores hidráulicos: los neumáticos. Al utilizar gas como fluido de trabajo en lugar de líquido, se puede obtener una alta relación fuerza-peso en un factor de forma relativamente simple y económico con una flexibilidad incorporada de la que carece el sistema hidráulico. ¿Es fácil controlar la neumática? ¡No! Pero para hacer que un robot corra como un guepardo, resulta que tal vez ni siquiera sea necesario un control complicado.

“Estamos argumentando que tal vez no sea necesario un control fino de la fuerza para lograr una maniobrabilidad rápida”.—Amir Patel, Universidad de Ciudad del Cabo, Sudáfrica

Primero, hablemos de lo que está mal con la hidráulica, porque la hidráulica es complicada, costosa y muy complicada si alguna vez explota, lo que a veces sucede. Y si bien la naturaleza no conforme del sistema hidráulico los hace más fáciles de modelar y controlar, también los hace menos indulgentes en el uso en el mundo real. Si nos remontamos lo suficiente, a la década de 1980, cuando Marc Raibert estaba desarrollando robots con patas dinámicas en el MIT, esos robots que corrían y saltaban dependían de la neumática en lugar de la hidráulica, porque la neumática era mucho más fácil de implementar.

Una razón importante por la que hoy en día todo el mundo parece utilizar sistemas hidráulicos en lugar de neumáticos es que el aire es comprimible, lo cual es excelente para el cumplimiento integrado, pero arruina la mayoría de los métodos de control tradicionales. "El control de la fuerza fina es difícil con este actuador y la mayoría lo ha evitado", explica Amir Patel, profesor asociado de la Universidad de Ciudad del Cabo. “La hidráulica no es comprimible y puede hacer cosas asombrosas, pero es bastante más cara que la neumática. Y cuando observamos animales que requieren movimientos explosivos de sus extremidades, pensamos que la neumática sería un buen actuador, que a menudo se pasa por alto”.

Patel ha realizado una enorme cantidad de investigaciones sobre la biomecánica del guepardo. Hemos escrito sobre algo de esto en el pasado. (Por ejemplo, aquí se explica por qué los guepardos tienen colas esponjosas). Pero recientemente, Patel ha estado tratando de encontrar formas de rastrear la dinámica de los guepardos con muy alta fidelidad para descubrir cómo pueden moverse como lo hacen. Esto sería fácil si los guepardos cooperaran, pero por lo que parece, tratar de hacer que corran directamente sobre una pequeña placa de fuerza o hagan la maniobra que deseas mientras tienes una vista ideal de las cámaras que has instalado es una especie de una pesadilla. Gran parte de este trabajo está en curso, pero Patel ya ha aprendido lo suficiente como para sugerir un nuevo enfoque para la locomoción inspirada en los guepardos. "A partir de nuestros años estudiando guepardos aquí en Sudáfrica, parece como si en realidad no estuvieran tratando de realizar un control preciso de la fuerza cuando aceleran desde el reposo", dice Patel. “Simplemente están empujando tan fuerte como pueden, lo que nos hace pensar que un actuador de encendido/apagado [también conocido como controlador bang-bang] como el neumático podría hacer ese trabajo. Argumentamos que tal vez no sea necesario un control preciso de la fuerza para tareas de maniobrabilidad rápida”.

“Nos centramos en la fase transitoria de la locomoción, como la aceleración rápida desde un punto muerto o el reposo una vez que se camina a gran velocidad”. —Amir Patel, Universidad de Ciudad del Cabo, Sudáfrica

Patel (junto con sus colegas Christopher Mailer, Stacey Shield y Reuben Govender) ha construido un robot con patas (o la mitad de un robot con patas, al menos) llamado Kemba para explorar el tipo de aceleración rápida y maniobrabilidad que puede ofrecer la neumática. Las caderas de Kemba incorporan motores eléctricos de accionamiento casi directo de alto par en las caderas para un posicionamiento de mayor fidelidad, con pistones neumáticos de alta fuerza unidos a las rodillas. Si bien los motores eléctricos brindan el tipo de control preciso que esperamos de los motores eléctricos, los pistones están controlados por válvulas binarias simples (y económicas) que pueden estar abiertas o abiertas. Los investigadores se esforzaron mucho en modelar la compleja dinámica de los actuadores neumáticos, porque después de todo se necesita cierta comprensión de lo que están haciendo los neumáticos. Pero nuevamente, el concepto aquí es utilizar la neumática para la activación explosiva y obtener un control más preciso de los motores eléctricos en las caderas.

Kemba, el robot de dos patas (y estabilizado por un brazo), utiliza motores eléctricos para precisión y neumáticos para movimientos rápidos. Universidad de Ciudad del Cabo, Sudáfrica

Con una pluma como soporte, el Kemba de 7 kilogramos es capaz de saltar repetidamente hasta 0,5 metros con un aterrizaje controlado y alcanza una altura máxima de salto de 1 metro. Si bien es tentador centrarse aquí en métricas como la altura del salto y la velocidad máxima, en realidad no es de eso de lo que se trata necesariamente la investigación, explica Patel. “Con Kemba (y todos los robots y animales que estudiamos en mi laboratorio) nos centramos en la fase transitoria de la locomoción, como una aceleración rápida desde un punto muerto o el reposo una vez que estás a alta velocidad. La mayoría de los artículos no se concentran realmente en esa fase de la moción. Me encantaría que más laboratorios publicaran sus resultados en esta área para que podamos tener algunas métricas (y datos) con los que comparar”.

A Patel eventualmente le gustaría que Kemba se convirtiera en una plataforma que los biólogos pudieran usar para comprender la biomecánica de la locomoción animal, pero es probable que permanezca atado en el futuro previsible, dice el primer autor Chris Mailer. “Mucha gente nos ha preguntado cuándo construiremos la otra mitad o si es realista que Kemba lleve consigo un compresor. Si bien esto sería fantástico, esa nunca fue la intención de Kemba. El objetivo principal era ejecutar y aprender de movimientos bioinspirados en lugar de centrarse en la potencia o la autonomía a bordo”.

Esto no significa que Kemba no recibirá algunas actualizaciones. Se podría estar trabajando en una columna vertebral, junto con una cola, las cuales proporcionarían grados adicionales de libertad y permitirían comportamientos más dinámicos. Queda un largo camino por recorrer antes de que los robots con patas se acerquen a lo que puede hacer un guepardo real, pero el enfoque neumático ciertamente parece prometedor. Y cualquier cosa que tenga el potencial de reducir el coste de los robots con patas me parece bien, porque todavía estoy esperando uno propio.