Cable-driven parallel robot to simulate the underwater environment in humanoids

Abstract

El diseño y control de los robots submarinos tiene que afrontar condiciones submarinas muy distintas a las que se encuentran en tierra. La metodología común para sus pruebas comienza con simulaciones computacionales antes de la inmersión en piscinas reales donde sus algoritmos de control se pueden desarrollar y actualizar con experimentos en el medio acuático. Sin embargo, el salto entre esos dos escenarios de prueba podría ser demasiado amplio para cubrir todos los requisitos del robot que se necesitan en el emplazamiento. Por este motivo, se propone un simulador submarino en tierra basado en tecnología accionada por cable. Este simulador podría crear un escenario donde el robot pueda probar sus algoritmos en un entorno controlado, seguro y personalizable para garantizar la viabilidad de su rendimiento antes de una inmersión real en una piscina. El trabajo propuesto se centra en incrementar la calidad de la simulación submarina en robots con patas o que puedan tener contacto con el entorno imponiendo al robot las fuerzas de reacción que sentirá sobre el fondo marino real. Además, debido a la configuración multicuerpo que suelen tener esos robots, el robot accionado por cable propuesto pretende manejar esta condición ejerciendo las llaves externas requeridas en más de un cuerpo proporcionando una simulación con mayor calidad al distribuir las fuerzas en diferentes puntos del cuerpo, centrándose en la estructura humanoide. Esta distribución de tensión se puede realizar aprovechando la estructura de restricción redundante del robot accionado por cable atendiendo a las configuraciones de tensión factibles. Esas tensiones podrían proporcionar una amplia gama de energía potencial en los elementos elásticos del efector final donde está conectado el robot submarino. Gestionando esta energía potencial con los actuadores redundantes podría ser posible ejercer las llaves o movimientos deseados en los diferentes cuerpos de un efector final pasivo reconfigurable. El uso de cables en lugar de eslabones rígidos, así como el esfuerzo de las llaves mediante el uso de mecanismos elásticos y flexibles, permiten la simulación de las condiciones submarinas en sujetos humanos. Esos experimentos específicos, realizados en el RoAR Lab de la Universidad de Columbia, permiten conocer el comportamiento humano en este entorno simulado para ayudar en el desarrollo de algoritmos para robots. Esta nueva aplicación para robots accionados por cable requiere una síntesis, diseño y construcción de un prototipo real capaz de cumplir con los requisitos necesarios. De modo que, se seleccionan diferentes índices de rendimiento y parámetros para definir la forma del robot, así como una selección específica de los componentes. Finalmente, se realizan varios experimentos para validar la simulación submarina atendiendo a la acción de la fuerza de flotabilidad y las fuerzas de reacción deseadas con el suelo.