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PolibitsISSN: 1870-9044polibits@nlp.cic.ipn.mxInstituto Politécnico NacionalMéxicoBarrientos Sotelo, Víctor Ricardo; García Sánchez, José Rafael; Silva Ortigoza, RamónRobots Móviles: Evolución y Estado del ArtePolibits, núm. 35, 2007, pp. 12-17Instituto Politécnico NacionalDistrito Federal, MéxicoDisponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id 402640448003Cómo citar el artículoNúmero completoMás información del artículoPágina de la revista en redalyc.orgSistema de Información CientíficaRed de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y PortugalProyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
Robots Móviles: Evolución y Estado del ArteRobots Móviles:Evolución y Estado del ArteVíctor Ricardo Barrientos Sotelo.José Rafael García Sánchez.Dr. Ramón Silva Ortigoza. Profesor del CIDETEC-IPNLa robótica es una ciencia queha acompañado al ser humano durante su evolución,compaginándose con nuestravida cotidiana y brindando un desarrollo vertiginoso en sus distintoscampos de aplicación, partiendodesde robots manipuladores, robotsde entretenimiento y de servicio,hasta robots móviles. Este trabajopretende ser una introducción a larobótica móvil. Aquí se abordantanto una revisión del estado delarte sobre los diversos aspectos aconsiderar para el diseño de un robot móvil, como los desarrollos másrelevantes que han ido aportandolas bases del conocimiento en estarama de la robótica, siempre en labúsqueda de una autonomía totalen los robots móviles.Evolución de la robótica móvilEn civilizaciones antiguas, tales como la griega, se hablaba deseres mecánicos con vida que eranmovidos por mecanismos basadosen poleas y bombas hidráulicas.Sin embargo, el concepto de robotcomo tal, comenzó a hilvanarse enla civilización árabe, donde se le diosentido a dichos mecanismos paraconfort del ser humano. La robóticanace como ciencia a partir del sigloXX, hacía la década de los cuarenta.Los orígenes de la misma, datan delsiglo XVIII con la construcción deautómatas humanoides por Vaucanson y los Jaquet-Droz. Si biencon el paso del tiempo se desarrollóun gran numero de figuras dotadasde partes móviles, fue gracias a larevolución industrial en los alboresdel siglo XIX (históricamente el hitomás importante en el desarrollo denuevas tecnologías) que se impulsóel crecimiento de las diferentes áreascientíficas y la creación de nuevosdispositivos aplicables a distintosrubros (i.e. construcción, milicia,aeronáutica, transporte, etc.), queposteriormente convergieron en laconcepción de la robótica. En 1921 elescritor checo Capek, en su obra dramática Rossum s Universal Robots(R.U.R.), acuñó el término robot, apartir de la palabra checa robota, quesignifica servidumbre o trabajo forzado. Por su parte, Asimov, introdujopor primera vez el término robóticaen la historia Runaround de su obraI, Robot, incluyendo en ese mismotrabajo las tres leyes de la robótica.Como consecuencia de los trabajosque hasta entonces se habían realizado, aunado al éxito de las obrasmencionadas, la robótica acaparó laatención, no solo de aficionados a laciencia ficción, sino también de mayor cantidad de investigadores quefueron adentrándose en el estudiode la misma. De esta forma, surgió lanecesidad de establecer el concepto12de un robot, que puede denotarsecomo un sistema electromecánico reprogramable, que permite realizar diferentestareas repetitivas que requieren un gradoelevado de precisión. Existe toda unagama de formas y aplicaciones paralos robots, dependiendo de la tareaque deban realizar; de esta formase pueden considerar diferentescriterios para su clasificación, comoson: su arquitectura, su generación,el nivel de inteligencia, el nivel decontrol o el nivel de su lenguajede programación. Dentro de laclasificación por su arquitectura seencuentran los robots móviles, delos cuales a continuación se da unaamplia revisión.A partir de las década de lossetenta - setenta, la investigación ydiseño de robots móviles creció demanera exponencial; por ejemplo,Nilsson en el SRI desarrolló el robotShakey, siendo este el primer mecanismo en hacer uso de la inteligenciaartificial para controlar sus movimientos. También destacan el Newt,desarrollado por Hollis, y Hilare,desarrollado en el LAAS en Francia.En el Jet Propulsion Laboratory (JPL) se desarrolló el Lunar Rover,diseñado particularmente para laexploración planetaria. A finales deesa década, Moravec desarrolló elStanford Cart, capaz de seguir unatrayectoria delimitada por una línea Acrónimo de Laboratorio de Análisis yArquitectura de Sistemas. Centro de investigación con sede enEE.UU. y actualmente perteneciente a laNASA.polibits2007
Robots Móviles: Evolución y Estado del ArteFigura 1: Tipos de locomoción en un robot móvilestablecida en una superficie, en laUniversidad de Stanford. En 1983,Raibert fue desarrollado en el MIT ,un robot de una sola pata diseñadopara estudiar la estabilidad de estossistemas y brindar un conocimientomás profundo acerca de este tipode locomoción. A principios de ladécada de los noventa, Vos et al.desarrollaron un robot "uniciclo"(una sola rueda, similar a la de unabicicleta) en el MIT. Años más tarde, en 1994, el Instituto de RobóticaCMU desarrolló a Dante II, un sistema de seis patas cuyo propósito fuetomar muestras de gases en el volcánSpurr, situado en Alaska. En 1996,también en el CMU, se desarrollo elGyrover, un mecanismo ausente deruedas y patas, basado en el funcionamiento del giroscopio, por lo quela precisión de sus movimientos ysu estabilidad eran muy elevadas.Ese mismo año se desarrolló en elMIT el Spring Flamingo, robot queemulaba el movimiento de un flamingo, diseñado para implementar Siglas de Massachussets Institute ofTechnology. Acrónimo de Carnegie Mellon University.XVII1técnicas eficaces de control en la posición de los actuadores (patas), paradescribir el movimiento del mismoy para ejecutar diversos algoritmosde desplazamiento. Por su parte, en1997 la NASA envío a Marte un dispositivo móvil teleoperado llamadoSojourner Rover, dedicado a enviarfo tografías del entorno de dichoplaneta. Ese mismo año, la empresajaponesa HONDA, dio a conocer elrobot P3, el primer humanoide capazde imitar movimientos humanos.Al sigu iente año, en la UniversidadWaseda de Japón, se da a conocer elWABIAN R-III, un robot humanoidepara fines de investigación sobre elmovimiento del cuerpo humano. En1999 en el CMU, Zeglin propuso unnuevo diseño de robot con una patallamado Bow Leg Hopper, un diseñoque por su naturaleza permite almacenar la energía potencial de la pata,ya que es una articulación de formacurva que al dar cada paso comprimeun sistema de resorte y de esta formael consumo de energía es mínimo,permitiendo un ahorro significativo Siglas de National Aeronautics and SpaceAdministration.35de la misma. En el 2006, Hollis et al.desarrollaron a Ballbot, un sistemaholónomo cuyo movimiento es proporcionado por una esfera ubicadaen la parte inferior de la estructura;el control de la esfera, es similar alde un ratón de computadora, empleando encoders para determinarcada posición de la misma. Sinembargo, el estudio de este tipo derobots con una esfera, fue iniciadopor Koshiyama y Yamafuji en 1991.Actualmente los robots teleoperadosSpirit Rover y Opportunity Rover, seencuentran explorando la superficiedel planeta Marte en busca de mantosacuíferos.Estado del arteComo se ha visto hasta este punto,las aplicaciones de los robots móvilesson muy am plias. Otros ejemplosson: exploración minera, exploración planetaria, misiones de búsqueda y rescate de personas, limpieza dedesechos peligrosos, automatizaciónde procesos, vigilancia, reconoci-polibits13
Robots Móviles: Evolución y Estado del Artemiento de terreno, asistencia médica,exploración marítima, entretenimiento, investigación y desarrollo,investigación militar, agricultura,inspección, transporte, etc.Un robot móvil se define comoun sistema electromecánico capaz dedesplazarse de ma nera autónoma sinestar sujeto físicamente a un solo punto.Posee sensores que permiten monitoreara cada momento su posición relativaa su punto de origen y a su punto dedestino. Normalmente su control esen lazo cerrado. Su desplazamiento esproporcionado mediante dispositivos delocomoción, tales como ruedas, patas,orugas, etc.Los robots móviles se clasificanpor el tipo de locomoción utilizado;en general, los tres medios de movimiento son: por ruedas [1], porpatas [2] y por orugas [3]. Si bienla locomoción por patas y orugasha sido ampliamente estudiada, elmayor desarrollo está en los RobotsMóviles con Ruedas (RMR), esto esdebido a las ventajas que presentanlas ruedas respecto a las patas y alas orugas. Dentro de los atributosmas relevantes de los RMR, destacansu eficiencia en cuanto a energía ensuperficies lisas y firmes, a la vez queno causan desgaste en la superficiedonde se mueven y requieren un número menor de partes, normalmentemenos complejas en comparacióncon los robots de patas y de orugas,lo que permite que su construcciónsea más sencilla. La Figura 1 muestralos distintos tipos de locomoción.En lo referente a las partes de lasque se compone un RMR, se tieneun arreglo cinemático y un sistemade actuadores, que dotan de movimiento a la estructura cinemática.Ambos sistemas están íntimamenteligados y son dignos de estudiarse enconjunto; no obstante, se ha logradoun mayor avance en el estado del arteal estudiarlos por separado.Existen diferentes configuraciones cinemáticas para los RMR [4],éstas dependen princi palmente de laaplicación hacia donde va enfocadoel RMR; no obstante, en general setienen las siguientes configuraciones:Ackerman, triciclo clásico, traccióndiferencial, skid steer, síncrona ytracción omnidireccional, véase laFigura 2.del modelado. La tercera es asumirque todos los ejes de dirección sonperpendiculares a la superficie, deesta manera se reducen todos losmovimientos a un solo plano. Porotra parte, respecto a las suposicionesde operación, al igual que en las dediseño, se toman tres. Una de ellasdescarta toda irregularidad de lasuperficie donde se mueve el RMR.Figura 2: Configuraciones de los RMRDependiendo de su configuración cinemática, los RMR utilizancuatro tipos de ruedas para locomoción [5], estas son: omnidireccionales, convencionales, tipo castor yruedas de bolas, véase la Figura 3.Con el objeto de hacer más tratableel problema del modelado en las configuraciones cinemáticas, se suelenestablecer algunas suposiciones dediseño y de operación. Dentro delas suposiciones de diseño generalmente se toman tres; la primera vadirigida a considerar que las partesdinámicas del RMR son insignificantes i.e., que no contiene partesflexibles, de esta manera puedenaplicarse mecan ismos de cuerporígido para el modelado cinemático.La segunda limita que la rueda tengaa lo más un eslabón de dirección, conla finalidad de reducir la complejidad14Otra, considera que la fricción detraslación en el punto de contactode la rueda con la superficie dondese mueve, es lo suficientementegrande para que no exista un desplazamiento de traslación del móvil.Como complemento a lo anterior,una tercera suposición de operaciónestablece que la fricción rotacional enel punto de contacto de la rueda conla superficie donde se mueve, es losuficientemente pequeña para queexista un desplazamiento rotatorio.Relativo a los actuadores utilizados para dotar de movimiento alos RMR, es común que se utilicenmotores. Existe una gama bastanteamplia dependiendo de su empleo;los más utilizados en la robóticamóvil son los motores de corrientedirecta (CD), por el argumento depolibits2007
Robots Móviles: Evolución y Estado del ArteFigura 3: Tipos de Ruedasque su modelo es lineal, lo que facilitaenormemente su control, y específicamente los de imán permanentedebido a que el voltaje de control esaplicado al circuito de armadura yel circuito de campo es excitado demanera independiente. Hablando demotores de CD de imán permanente,se tienen dos tipos: con escobillas ysin escobillas. Ambos tipos de motores brindan ventajas semejantes, sinembargo, los motores sin escobillastienen algunas ventajas significativassobre los motores con escobillas,como por ejemplo: a) al no contarcon esco billas, no se requiere el reemplazo de estas ni mantenimientopor residuos originados de las mismas, b) no presentan chispas que lasescobillas generan, de esta forma sepueden consi derar más seguros enambientes con vapores o líquidosflamables, c) la interferencia causadapor la conmutación mecánica de lasescobillas se minimiza considerablemente mediante una conmutación electrónica, d) los motores sinescobillas alcanzan velocidades dehasta 50,000 rpm comparadas conlas 5,000 rpm máximas de los motores con escobillas. A pesar de queestas ventajas parecieran inclinar labalanza a favor de los motores sin escobillas, existen desventajas crucialesque pueden cambiar la tendencia:XVII1a) en los motores sin escobillas nose puede invertir el sentido de girocambiando la polaridad de sus terminales, esto agrega complejidady costo a su manejo, b) los motoressin escobillas son mas caros, c) serequiere un sistema adicional parala conmutación electrónica, d) elcontrolador de movimiento para unmotor sin escobillas es mas costosoy complejo que el de su equivalentecon escobillas.Dentro de la robótica móvil, losfactores más importantes e imperativos a considerar, son los concernientes al posicionamiento, seguimientode trayectoria y evasión de obstáculos. Respecto a esto, se han llevado acabo diversas investigaciones cuyosresultados han per mitido un avancesignificativo pero no total en estos 3aspectos. Algunos trabajos que hancontribuido de manera importantea estos puntos, se mencionan en lossiguientes párrafos.Acerca del posicionamiento sehan llevado a cabo distintos análisisempleando sensores ultrasónicospara la navegación de los robots. Porejemplo en [6], se presentan distintos métodos para la implementaciónde sensores que permitan al robotmóvil conocer su posición dentro del35ambiente de trabajo, estudiando losdistintos tipos de sensores y abarcando el problema de posicionamientoen forma general. De igual forma,en [7] se aborda el problema deestimación del posicionamiento deun robot móvil, mediante la cuantificacion de errores de odometría detipo sistemáticos. En [8] se integrandos métodos de mapeo para la navegación de un robot dentro de unambiente cerrado y estructurado,mapeo enrejado bidimensional ymapeo topológico, logrando unamayor precisión y eficiencia en eldesplazamiento del robot.Respecto al seguimiento de trayectoria, se propone en [9], un esquema de control para un robot móviltipo trailer multiarticulado paraabordar el seguimiento de trayectorias, integrado por tres diferentesleyes que proporcionan al sistema lacapacidad de seguir trayectorias enforma global. En [10], para el seguimiento de trayectoria, se proponeuna estrategia de control jerarquizada en dos niveles, un lazo internocompuesto por un controlador PIDasociado a los motores del robot y Medida de la posición de un robot móvil deforma relativa en base a un origen en elplano cartesiano, emplea encoders paracalcular la rotación y orientación de lasruedas.polibits15
Robots Móviles: Evolución y Estado del Arteun lazo externo asociado al modelocinemático del robot que se encargade generar los perfiles de velocidadpara cada motor, considerando lainductancia de cada uno igual a cero.En [11] se realiza el seguimientoguiado por los movimientos del ojodentro de su orbita (electrooculografía) brindando la ventaja de serfácilmente operado por personascon discapacidades físicas.En lo que respecta a la evasión deobstáculos, existen distintos métodospara llevar a cabo esta tarea. Losmás relevantes son: por detección debordes [12], por descomposición enceldas [13], construcción de mapas[14] y campos potenciales [15]. Enel método por detección de bordes,el algoritmo implementado permiteque el robot detecte los bordes verticales de un posible obstáculo. El método por descomposición en celdas,divide en celdas el espacio de trabajodel robot en un plano bidimensional,a cada celda se le asigna un valor quepermite saber si existe dentro de lamisma algún obstáculo. En el métodopor construcción de mapas, el algoritmo implementado permite crearun grafo que conecta cada punto delespacio libre de trabajo (espacio librese refiere al espacio de trabajo en elque la incidencia de obstáculos esnula), facilitando la generación de uncamino que permita al robot navegardesde su punto inicial a su puntofinal eliminando la incertidumbrede posibles obstáculos. Respectoal método de campos potencialesartificiales, fue desarrollado porKhatib y se supone al móvil comouna partícula puntual y de igualforma, los obstáculos que lo rodeanse consideran como partículas queejercen una fuerza de repulsión sobreel móvil, mientras que, su punto dearribo, es una fuerza atractiva, consiguiéndose de esta forma establecerun campo potencial que representael ambiente en el que debe de seguirsu trayectoria el robot.Los resultados que se han reportado en la literatura, sugierenun avance significativo y sólido enla búsqueda de la autónomia. Noobstante, continua latente un ampliomargen en la investigación de la robótica móvil, que se ira reduciendopaulatinamente mientras nuevosestudios se vayan sucediendo.ConclusionesDesafortunadamente en México,la investigación en robótica no hatenido suficiente apoyo y muchos delos desarrollos se estancan tan soloen el diseño y a lo más en la construcción de prototipos. Sin embargo,a nivel internacional los logros hansido impresionantes, teniendo comoprincipal exponente a Japón, país endonde se pueden encontrar diversostipos de robots incorporados totalmente a la vida cotidiana, entre losque se pueden mencionar androidescon capacidades de movimientoy comportamiento inimaginables,robots de servicio y soporte a personas discapacitadas, además delas plantas industriales totalmenteautomatizadas en donde la intervención humana es casi nula, solo pormencionar algunos. Por otro lado,no menos importantes, institutos deinvestigación tales como el CMU, elMIT, la NASA, etc. han logrado unaimportante autónomía en plataformas móviles y en configuracionesalternas como los robots de pénduloinvertido, robots con una sola rueda,robots balanceados en una esfera,robots con patas y robots modulares, entre otros. De esta manera, alposeer un vasto campo de aplicación,la robótica móvil continua en plenodesarrollo, cuya única limitante decrecimiento es la imaginación.16Agradecimientos RSO agradece el soporte económico recibido de la Secretaría deInvestigación y Posgrado del IPN(SIP-IPN), a través del proyecto20071024 y del programa EDI, asícomo del Sistema Nacional de Investigadores (SNI-México).Referencias[1][2][3][4][5][6]P. F. Muir and C. P. Neuman,"Kinematic modeling of wheeled mobile robots", Journalof Robotic Systems, vol. 3, pp.281-340, 1987.M. H. Raibert, H. Brown, M.Chepponis, E. Hastings, J.Koechling, K. N. Murphy, S.S. Murthy and A. Stentz, "Dynamically stable legged locomotion", Robotics Institute,Carnegie Mellon University,Pittsburgh, PA, Tech. Rep.CMU-RI-TR-83-20, 1983.T. Iwamoto, H. Yamamotoand K. Honma, "Transformable crawler mechanism withadaptability to terrain variations", in Proc. 1983 International Conference on AdvancedRobotics Conf., Tokyo, Japan,pp. 285-292.A. Bano Azcon, "Análisis ydiseño del control de posición de un robot móvil contracción diferencial", Tesisprofesional, LEscola TecnicaSuperior dEnginyeria (ETSE)de la Universitat de Valencia,2003.K. Goris," Autonomous mobile robot mechanical design", These elektrotechnischinge nieur, Vrije UniversiteitBrussel, 2005.J. Borenstein, H. R. Everett andL. Feng, "Where am I? sensorspolibits2007
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XX, hacía la década de los cuarenta. Los orígenes de la misma, datan del siglo XVIII con la construcción de autómatas humanoides por Vau-canson y los Jaquet-Droz. Si bien con el paso del tiempo se desarrolló un gran numero de figuras dotadas de partes móviles, fue gracias a la revolución industrial en los albores
