Study of Compliant Trunk-Leg System for Legged Robot

• Autores: Edgar Andres Parra Ricaurte
• Directores de la Tesis: Claudio Rossi (dir. tes.), Sergio Domínguez Cabrerizo (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jaime del Cerro Giner (presid.), Francisco Javier Badesa Clemente (secret.), Arturo de la Escalera Hueso (voc.), Fernando Torres Medina (voc.), Luis Miguel Jiménez García (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Automática y Robótica por la Universidad Politécnica de Madrid
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de los ordenadores
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • En los últimos años, la robótica móvil ha sido un área de investigación muy importante. Gracias a sus avances, este tipo de robots pueden moverse en entornos peligrosos para el ser humano y ser capaces de realizar tareas complejas de forma autónoma o semiautónoma, tales como: vigilancia, asistencia, servicios, transporte de materias primas y personas de forma segura, entre otras. Pero a pesar de los grandes avancen en el desarrollo tecnológico e investigación, la eficiencia energética sigue siendo una característica importante para mejorar. Actualmente, se pueden encontrar tres tipos de robots móviles, que dependiendo del entorno en el que se desplace, estos pueden ser aéreos, acuáticos y terrestres. Entre los robots terrestres más representativos se encuentran los que se desplazan mediante ruedas y los basados en locomoción por patas. Los robots con ruedas han tenido una gran relevancia, debido a su diseño simple y fácil desarrollo, pero tienen la desventaja que su movilidad es muy limitada y son utilizados, por lo general, en terrenos planos o estructurados. Por su parte, los robots basados en locomoción por patas utilizan extremidades mecánicas, inspirados en los animales, insectos o seres humanos, lo que les permite ser más versátiles que los robots con ruedas, siendo capaces de moverse en entornos complejos y realizar tareas difíciles. Pero lograr imitar o emular lo que ha logrado la naturaleza durante millones de años de evolución es complicado, además de ser tecnológicamente retador. Uno de los grandes avances en la investigación de robots con patas fue el modelo del péndulo invertido con muelle SLIP (por si siglas en inglés), el cual permite describir la marcha con una masa puntual que rebota sobre patas elásticas. Este modelo capta la dinámica del centro de masa observada en animales que corren y se ha convertido en una plantilla básica de la marcha en biomecánica y robótica. Igualmente se han tenido grandes avances en los sistemas de actuación, un ejemplo es el actuador SEA (por sus siglas en inglés), la cual introduce un elemento elástico entre el actuador del motor y la carga. Este elemento elástico confiere al SEA tolerancia a las cargas de impacto, baja impedancia mecánica de salida, almacenamiento pasivo de energía mecánica y mayor pico de potencia de salida. Sin embargo, a pesar de los grandes avances en el desarrollo tecnológico y la investigación que han tenido los robots con patas, la eficiencia energética sigue siendo una característica importante que debe mejorarse. Con el propósito de mejorar la eficiencia energética en los robots con patas se planteó investigar qué factores podrían hacerlo. Investigaciones han mostrado que el tronco flexible en los animales cuadrúpedos permite que estos logren grandes velocidades y que, gracias a los tejidos, como los músculos, tendones, huesos y cartílago, estos pueden acumular y devolver parte de la energía que utilizan en el correr, y de esta forma efectuar el movimiento de galope. Para ilustrar los galopes más rápidos sobre la tierra, se seleccionaron los dos animales que ejemplifican este movimiento de manera destacada, que son el guepardo y el caballo. Básicamente flexionan sus troncos al momento de realizar el galope, permitiendo que alcancen velocidades altas. Pero, en el caso del guepardo, el galope lo logra mantener por poco tiempo. Por lo tanto, siendo el tronco la estructura principal y que soportar grandes flexiones, ayudando en el movimiento de galope a estos animales, y logrando que alcancen altas velocidades, se decidió investigar cómo un robot con patas podría mejorar su eficiencia energética gracias a un tronco flexible, planteándose la pregunta: Podría la marcha de los robots cuadrúpedos ser eficiente energéticamente utilizando una estructura de tronco flexible y reproduzcan la dinámica del tronco de los animales cuadrúpedos. Para conseguir una marcha eficiente desde el punto de vista energético, se ha supuesto que el tronco es un elemento elástico pasivo, y que son los movimientos de las patas delanteras y traseras las que provocan la flexión del tronco. Esto condujo a la siguiente hipótesis de trabajo: "Un tronco flexible pasivo en robots con patas, adecuadamente conducido a la oscilación de galope por el movimiento coordinado de sus piernas, mejora la eficiencia energética de la marcha". Esta hipótesis planteó la posibilidad de no tener actuadores que flexionen el tronco y abrió la opción de tener un tronco pasivo flexible, en donde este pueda flexionarse por medio de las patas del robot, logrando tener una coordinación de movimiento entre los dos. Con lo que conllevo a la siguiente hipótesis de trabajo: "Un tronco flexible pasivo llevado a una frecuencia cuasi-resonante, mejora la eficiencia energética de la marcha". Para abordar dichas hipótesis de trabajo, se estudió y modelizó la dinámica del tronco mediante viga flexible en voladizo, con masas añadidas en sus extremos, como si fueran estas últimas las masas de las patas delanteras y traseras, y de esta forma se pudo conocer los efectos de llevarlo el tronco a una frecuencia de oscilación cuasi-resonantes, demostrando que es posible mejorar la eficiencia energética, reduciendo casi a la mitad la energía que se consume en relación con la energía que acumula el tronco y devuelve en trabajo. Al ser el tronco flexible pasivo se estudió y se diseñó un nuevo modelo de pata MMS (por su siglas en inglés). Esto demostró que al tener en cuenta la masa de la pata, ayuda a generar los pares que generan el momento flector en el tronco. Teniendo en cuenta los estudios anteriores se desarrolló la dinámica del sistema tronco+pata, la cual ayudó a comprender las grandes flexiones a la que está sometido el tronco, igualmente se pudo comprobar que la ecuación de movimiento es no lineal y que este es un sistema subactuado. Posteriormente, para comprobar la eficiencia energétiica, se llevaron a cabo una serie de experimentos que demostraron la eficiencia del método propuesto. Al ser un sistema complicado para desarrollar un sistema de control, debido a sus características, sistema no lineal y subactuado, se realizó un estudio utilizando el método de la función descriptiva, que permitió analizar el comportamiento del sistema ante una entrada sinusoidal con amplitud y frecuencia dadas, generando un ciclo límite, que sirve de base para definir un método de control del galope. Finalmente, se analizó la eficiencia energética por medio del criterio de Costo de Transporte (CoT), el cual demostró ser más eficiente cuando la oscilación del movimiento se realizaba a la frecuencia cuasi-resonante, con valores entre 0.25 y 0.1. Para conocer la energía que consume el sistema, que acumula el tronco y se transforma en movimiento, se propuso una ecuación de relación energética. Esta ecuación permitió demostrar que el sistema consume menos energía al tener un tronco flexible, y que se puede aprovechar aún más al realizar el movimiento de oscilación a la frecuencia cuasi-resonante, haciendo evidente que la energía que acumula y se transforma en trabajo es, en algunos casos, el doble de la energía que consume, por lo tanto una mejor sustancial en la eficiencia energética. Concluyendo que es posible mejorar la eficiencia energética en los robots con patas, al tener un tronco flexible pasivo, especialmente cuando el movimiento de oscilación esta a la frecuencia cuasi-resonante del sistema. Además, mediante el modelo de pierna propuesto, que tiene en cuenta la masa de la pata, fue posible disponer de un momento de flexión que ayuda a flexionar el tronco pasivo.