Diseño de un Robot Bípedo Pasivo con Rodillas

La robótica pasiva logra el movimiento de los robots utilizando solamente la fuerza de gravedad y es el concepto clave para comprender la orientación de este trabajo de título. Esta rama de investigación se origina del estudio biológico de los movimientos humanos, que busca principalmente, perfeccionar la robótica aplicada a los mismos, y, por otro lado, aumentar la eficiencia energética de los robots activos. El objetivo es diseñar un robot bípedo pasivo con rodillas que sirva de base para el diseño de un robot activo más eficiente. En primera instancia, se opta por diseñar uno sin rodillas, desde el cual se extrapola el diseño final. La creación de ambos requiere etapas de investigación, de modelación, de implementación en programa, de simulación y de construcción; esta última queda fuera del alcance de este trabajo. La etapa de simulación tiene por objetivo comprobar que el robot camina. Para ambos dieños, sin rodillas o de piernas rígidas y con rodillas, se dan a conocer los fundamentos teóricos extraídos de diferentes estudios relacionados con la robótica pasiva. Para el diseño del robot de piernas rígidas, los resultados derivan de las soluciones de la formulación matemática del modelo y de las simulaciones. Se logra una caminata de 10 pasos, cuyos parámetros se asemejan a los encontrados analíticamente. En el caso con rodillas, se plantean un bosquejo y la modelación matemática del mismo; sin embargo, la resolución de las ecuaciones no se lleva a cabo. Después de implementar en el programa el modelo con rodillas propuesto, se perfecciona el diseño usando ensayo y error, de lo cual se obtiene una caminata de 17 pasos. En ambos casos el programa utilizado para simular es Solidworks y los resultados numéricos se obtienen con Maple. Las caminatas tienen consumo bajo de energía de 0.257 y 0.137 [ J Kg m /( ) ⋅ ] para el robot con y sin rodillas, respectivamente. Si bien lo logrado requiere perfeccionamiento y mejoras en estabilidad, se considera que las caminatas obtenidas son un buen resultado para un primer diseño. Luego, junto con explicar algunos detalles del diseño, se analiza la influencia de algunos parámetros en la estabilidad y los resultados, por ejemplo: la relación entre masas, el roce, ciertas dimensiones, entre otros. Además, se discute sobre las caídas del robot y se presenta el desarrollo de las soluciones a éstas, donde destaca un mecanismo de bloqueo para la rodilla. Con el logro del objetivo planteado, se sustenta que es posible crear una máquina pasiva que camine semejante a los humanos a la cual se le pueda agregar un sistema de control actuado. El principal desafío hallado es pasar de un modelo plano a uno tridimensional funcional; esto se resuelve agregando una oscilación al modelo plano. Se concluye que el principal obstáculo para obtener la caminata del robot pasivo es la falta de coordinación de las oscilaciones que generan los pasos; en el trabajo esto se resuelve modificando con precisión el pie del robot, asegurando la amplitud de los movimientos con resortes y asignando correctas condiciones iniciales. Por otro lado, el roce juega un papel fundamental para la obtención de una caminata continua. Una simplificación interesante es que el conjunto de condiciones iniciales necesarias para producir la caminata pueden ser reducidas a sólo un impulso. Si bien la robótica pasiva ha sido investigada por varios científicos, en nuestro país constituye un estudio pionero. El diseño alcanzado puede ser mejorado en gran medida y no pretende ser un modelo acabado, sino que incentivar su desarrollo. Como trabajo futuro se propone construirlo (actualmente en realización) agregando las modificaciones sugeridas en esta memoria y resolver las ecuaciones del robot con rodillas. Además, junto con la idea de complementar el robot pasivo con un enfoque activo, se propone agregar brazos, torso y cabeza para completar sus características antropomórficas.