Generación de patrones de marcha para soft robot caminante

Abstract

Los avances en el mundo de la robótica en los últimos años han dotado a los humanos de gran comodidad, seguridad y eficiencia, tanto en un ámbito laboral como personal. Entre estos avances, desde aproximadamente el año 2010 ha surgido una nueva vertiente de la robótica, conocida como robótica flexible o soft robotics.
Este trabajo tiene como principal objetivo el diseño, fabricación y control de un robot flexible fabricado con silicona capaz de llevar a cabo de forma eficiente una serie de secuencias de marcha. Esa eficiencia se pretende conseguir mediante la deformación controlada del robot, mediante accionamiento neumático y realimentación de la flexión conseguida.
Los soft robots dan nombre a un conjunto de sistemas inspirados en animales sin esqueleto, como son gusanos, estrellas de mar o pulpos, cuya principal característica es la deformación que son capaces de alcanzar, recuperando posteriormente su forma de partida.
Esta deformación se debe a las propiedades de los materiales con que están construidos. Un ejemplo de estos son los nuevos materiales inteligentes capaces de recuperar una forma memorizada cuando son sometidos ante estímulos eléctricos, químicos, térmicos, etc... Estos materiales son, por ejemplo, el SMA o el SMP, entre otros.
Otro ejemplo es el utilizado en este trabajo: silicona, un material capaz de adquirir las deformaciones que caracterizan a estos nuevos robots. Este material, sin embargo, no ofrece ninguna propiedad inteligente. Son, por tanto, normalmente utilizados mediante accionamiento neumático, como es el caso del presente proyecto.
El desarrollo de este trabajo pretende llevar a cabo un robot flexible con cinco cámaras fabricado por moldeo. Estas cámaras, al ser inyectado aire a presión proveniente de un compresor, se deformarán de acuerdo con el diseño y método de fabricación seguido.
Este robot ha de llevar a cabo una serie de secuencias de marcha, ordenadas por el usuario a través de una interfaz gráfica desarrollada en Matlab, a través de la carga controlada de sus cámaras. Este control se lleva a cabo mediante válvulas accionadas por relés, controlados, a su vez por Matlab a través de una Arduino Mega.
A fin de lograr este objetivo, se requiere de una reflexión que permita la comprensión de la complejidad de control del prototipo. Conviene tener en consideración las disconformidades entre la robótica rígida y la flexible, ya que, esta última, se podría considerar que tiene infinitas articulaciones, lo que dificulta significativamente su control.
Es debido al carácter de novedad de esta robótica, así como a la complejidad previamente comentada de control y modelado, que la existencia de simuladores que faciliten el dimensionamiento y diseño del dispositivo es limitada.
Pero aun existiendo simuladores capaces de reflejar con cierto realismo el comportamiento del robot y de este modo poder prevenir ciertos errores facilitando su supresión previa a los procesos de diseño y fabricación del modelo, la experiencia juega un papel de notable importancia, resultando suficiente para el modelado del robot.
Son, por tanto, los ensayos y la experimentación lo que ha permitido desarrollar un modelo efectivo en este trabajo. Sin embargo, debido al carácter difícilmente repetitivo de la fabricación, y a algunos problemas de compleja subsanación, la repetición del proceso de diseño y fabricación ha estado presente a lo largo de todo el proyecto.
Este diseño se lleva a cabo a través del programa CAD Inventor, procurando el modelo del robot deseado, a partir del cual se desarrolla el molde que permitirá su conformación. Una vez diseñado éste, se obtiene a partir de una impresora 3D, y se procede a su fabricación.
A lo largo de todo el proyecto se ha perfeccionado tanto el diseño como la fabricación, mediante el ensayo de distintos prototipos fabricados con un molde diseñado, de los cuales se han realizado hasta cuatro. Entre los problemas de diseño y fabricación que se han solventado se citan los más problemáticos, entre la gran cantidad de ellos que han sucedido:
- Falta de homogeneidad en las cámaras. Implica el cambio de impresora, de imprimir en cama caliente con ABS se da lugar a imprimir en cama fría con PLA para evitar la contracción.
- Falta de estanqueidad. Se diseña una extensión en el robot que permite la introducción estanca de todos ellos.
- Deformación ineficiente. Se posiciona una malla en una parte del robot fin de dar rigidez a dicha superficie y así optimizar la deformación.
Acorde con estas medidas, finalmente los procesos de diseño y fabricación consiguen un robot ligero, flexible y eficiente.
Como se ha expresado previamente, el control de los modos de marcha se lleva a cabo a través de unas válvulas que permiten, o no, la inyección de aire proveniente de un compresor.
Conviene señalar que este proyecto proviene de un trabajo realizado el curso 2014-2015, que concluyó siendo capaz de realizar las secuencias de marcha en cadena abierta. Este trabajo pretende ir más allá, incorporando sensores al robot que permitan su control en cadena cerrada.
En el trabajo previo se contaba con válvulas 3/2, capaces de inyectar o expulsar aire, pero no de mantenerlo. A fin de lograr este estado, que permita el mayor gobierno del robot, se adquieren unas válvulas 2/2 que, colocadas en serie con las válvulas 3/2 permitan conseguir los tres estados. Es necesaria, a su vez, la adquisición de los relés que las accionan.
El limitado control existente en robots flexibles en la bibliografía se lleva a cabo, en el caso de robots de accionamiento neumático, mediante sensores de presión, volumen o deformación. En este caso, se opta por un sensor de flexión, capaz de suministrar la medida de la deformación de las patas.
Es necesario estudiar el empleo de esos sensores de flexión e integración en el sistema, lo que se lleva a cabo de forma detallada. Para su empleo, se llega a la incorporación de un divisor de tensión, con resistencias de 22 k para maximizar la sensibilidad de la lectura.
En cuanto a la integración, se concluye en la utilidad de la incorporación de un sistema microcontrolador embebido al robot, encargado de la lectura de los sensores y de la transmisión a la unidad de mando de la medida tomada, mediante protocolo I2C.
La unidad de mando consiste en un ordenador, en concreto, el programa Matlab R2015b, comunicado con un microcontrolador Arduino Mega 2560 a través del puerto serie. Es en Matlab donde se ejecuta el programa de control del robot, sirviendo la Arduino Mega como tarjeta de adquisición.
En Matlab se ha desarrollado una interfaz gráfica que permita el manejo sencillo del robot por parte del usuario, a través de la selección del modo de marcha que se desea llevar a cabo. También es útil para realizar los experimentos y ensayos, gracias a los modos de chequeo con los que cuenta, así como para caracterizar al robot, mediante la calibración de los sensores implementados en un prototipo determinado llevada a cabo por otro de sus modos. Esta calibración es necesaria debido a la variación de parámetros incontrolables en el método de fabricación, tales como la cantidad de silicona vertida, o la formación de la mezcla de la silicona.
Es también en Matlab donde se desarrolla el control del robot, tanto en cadena abierta como en cadena cerrada. El primero es sencillo, pero produce falta de coordinación entre las cámaras, coordinación necesaria para llevar a cabo determinados modos de marcha, tal como el caminante.
El control en cadena cerrada se lleva a cabo mediante estados discretos, calibrados previamente de forma cualitativa en cada cámara: 0 (vacía), 1 (casi vacía), 2 (intermedia), 3 (casi llena) y 4 (llena).
Estos estados permiten la ejecución de los modos de marcha, programados mediante tablas que definen la secuencia que debe seguir cada cámara. De esta forma, para asegurar la completa coordinación entre las cámaras, no se procederá a la siguiente etapa de la secuencia hasta no haber alcanzado todas las cámaras el estado deseado.
Con este método de control se consigue el desarrollo de las secuencias de marcha de modo más sincronizado y eficiente, especialmente la secuencia caminante, cuya falta de coordinación en el control realimentado hace de su ejecución un modo de marcha significativamente ineficiente.
Los ensayos realizados demuestran, pues, un aumento notable de eficiencia en la ejecución de los modos de marcha mediante el control realimentado con respecto al control en lazo abierto.
Con todo lo expuesto previamente, se logran los objetivos de partida, puesto que:
- Se ha conseguido mejorar el robot de partida mediante la incorporación de un nuevo material, que aporta rigidez a la parte del prototipo que no ha de deformarse, y la mejora del método de fabricación, así como mejorar su eficacia a través de un nuevo diseño.
- Se ha logrado incorporar la realimentación al sistema, utilizando, para ello, un sistema embebido que permita la distribución de tareas del sistema.
- Se concluye el trabajo con una ejecución más efectiva de los modos de marcha existentes utilizando el control en cadena cerrada.