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Un nuevo diseño de las extremidades inferiores le da mayor naturalidad y efectividad al movimiento de marcha de un robot humanoide

Desde que los robots bípedos dieron sus primeros pasos, la mayoría fueron diseñados con la misma configuración básica de articulación / actuador en sus piernas. Este diseño, creado sobre la base de una pierna humana simplificada, utiliza sólo seis motores (tres para la cadera, uno para la rodilla, y dos para el tobillo), y aunque tuvo éxito, también ha mostrado algunas limitaciones en los últimos 25 años. Ahora, investigadores del Instituto de Robótica Humanoide en la Universidad de Waseda (el lugar de nacimiento de los primeros robots humanoides reales) han decidido reinventar la rueda… eh…. la pierna, mediante el desarrollo de una nueva extremidad que replique más estrechamente la marcha humana.

Los investigadores, dirigidos por el profesor Atsuo Takanishi, presentaron su trabajo pionero en la Conferencia Internacional IEEE de Robótica y Automatización (ICRA), a principios de este mes, en Alemania. Para diseñar y probar sus nuevos músculos, el grupo empezó por observar más de cerca a las piernas de uno de sus robots: WABIAN-2R (Waseda bípedo humanoide – No. 2 refinado), que ha sido considerado como uno de los robots humanoides más sofisticados del mundo desde que se lo presentó en 2006. Tiene 148 cm de altura, pesa 64 kg, y, con sus 41 grados de libertad, puede realizar movimientos muy parecidos a los de los humanos. Lo que lo diferencia de muchos otros bípedos es su pelvis flexible, que le da la capacidad de caminar con las rodillas estiradas (a diferencia del ASIMO de Honda, entre otros).

La mayoría de los robots bípedos caminan con pies planos que apoyan paralelos al suelo, pero los pies de WABIAN-2R, con un arco del pies curvado y los dedos flexibles, apoya el talón primero y separa su extremidad del piso apoyado en sus dedos. Eso es un progreso, pero permanecen algunas contradicciones desconcertantes: los seres humanos caminan con sus pies separados más o menos 90 mm de distancia, una distancia que se duplica en el robot debido a los grandes motores del tobillo. Al caminar, el centro de masa del robot posee un movimiento lateral de 50 mm (en comparación con sólo 30 mm en un ser humano). Y no podría imitar la rotación del pie de una persona (aproximadamente 12 grados) debido a una articulación de rotación sobre el eje vertical faltante en su tobillo, un problema que otros robots bípedos heredaron al aplicarles la vieja configuración de articulaciones.

Así, con esas limitaciones a la vista, los investigadores de Waseda comenzaron a trabajar en su nueva pierna. La rotación faltante del pie podría venir del eje de rotación sobre el eje vertical en la cadera, pero que también girase la rodilla introducía su propio conjunto de problemas. En cambio, los investigadores decidieron que tendrían que añadir un conjunto de giro sobre el eje vertical en algún lugar debajo de la rodilla, y al mismo tiempo reducir el tamaño global de la pierna inferior para acortar el ancho de paso entre los pies. Comenzaron observando el tamaño medio y el rango de movimiento en los humanos, y analizaron los datos de captura de movimiento para determinar las necesidades óptimas de rendimiento de su nuevo tobillo.

Al diseñar el prototipo, la rotación sobre el eje vertical sería proporcionada por un motor situado en la parte superior de la tibia, justo debajo de la rodilla. Se abandonó la configuración de dos motores normalmente situados en el tobillo para el cabeceo y el balanceo en favor de un mecanismo de empalme lineal paralelo, que achica milímetros preciosos en la circunferencia de la parte inferior de la pierna. Aquí es donde se encontraron con su primer gran problema: no había una rótula disponible en el mercado lo suficientemente fuerte como para soportar las cargas de compresión que se le apoyarían. Su solución fue diseñar una desde cero con la ayuda de la empresa japonesa Seiko Hephaist. (El proyecto fue apoyado en parte por el Instituto de Robótica Humanoide, proyecto RoboSoM y MEXT de Japón.)

Pero las articulaciones universales de la perna del prototipo estaban causando problemas y debieron ser rediseñadas. Ajustes menores en las juntas universales, y cambios de material, resultaron en una enorme mejora en la rigidez y aumentaron el margen de movimiento. Estas y otras mejoras condujeron a un nuevo sistema (en la foto, a la derecha). Los investigadores instalaron el nueva pierna en su robot humanoide, que ahora se llama WABIAN-2RIII.

Fuente: IEEE Spectrum. Aportado por Eduardo J. Carletti

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