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El insecto palo robótico HECTOR da sus primeros pasos

Un equipo de investigadores de la Universidad de Bielefeld ha tenido éxito en enseñarle la forma de caminar al único robot de su tipo en el mundo. Sus primeros pasos fueron registrados en un video. El robot se llama HECTOR y su construcción se basa en las formas de un insecto palo (Phasmatodea)

Con un diseño inspirado en los insectos, HECTOR tiene juntas elásticas pasivas y un exoesqueleto ultraligero. Lo que lo hace único es que está equipado con un gran número de sensores y que funciona de acuerdo con un concepto inspirado en la biología, un control reactivo descentralizado: el Walknet. Para el 2017, el robot andante estará equipado con habilidades adicionales dentro de un importante proyecto en el Centro de Excelencia de Tecnología de Interacción Cognitiva (CITEC).

Dibujo de diseño de HECTOR

El robot andante ha sido construido por el grupo de investigación en biomecatrónica. En el futuro, HECTOR servirá como una plataforma para los biólogos y expertos en robótica para poner a prueba las hipótesis sobre la locomoción animal. Un aspecto importante será la fusión de grandes cantidades de datos de los sensores de manera que el robot pueda caminar de modo más autónomo que antes. Una cuestión clave más será una óptima coordinación de los movimientos en un robot con articulaciones elásticas.




“La forma en que actúa la elasticidad en las unidades de HECTOR es comparable a la forma en que los músculos actúan en los sistemas biológicos”, dice el profesor Dr. Axel Schneider. Él dirige el grupo de investigación biomecatrónica y coordina el proyecto CITEC junto con el Profesor Dr. Volker Dürr del Departamento de Cibernética Biológica de la Facultad de Biología. Schneider y su equipo desarrollaron sus propios actuadores elásticos. HECTOR tiene 18 de esos. Gracias a la elasticidad inspirada en la biología que poseen sus unidades, HECTOR puede adaptarse con flexibilidad a las propiedades de las superficies sobre las que camina.

“Sin embargo, la elasticidad por sí sola no es suficiente para que HECTOR pueda caminar a través de un entorno natural que contiene obstáculos”, dice Schneider. “El reto era desarrollar un sistema de control que se encargara de coordinar los movimientos de sus patas en entornos difíciles, también”.

El colega de Schneider Jan Paskarbeit fue responsable del desarrollo y la construcción del robot. Él también programó una versión virtual de HECTOR con el fin de poner a prueba enfoques de control experimental sin dañar el robot. “Todos los subsistemas tienen que comunicarse entre sí para que el robot camine sin ninguna dificultad”, dice Paskarbeit. “De lo contrario, por ejemplo, HECTOR podría tener demasiadas patas en el aire al mismo tiempo, volverse inestable y caerse. Por otra parte, las patas tienen que ser capaces de reaccionar a las colisiones contra obstáculos. Hemos Solucionado esto implementando un comportamiento reflejo para subir por encima de los objetos”, explica el investigador del CITEC.

En el Centro de Excelencia CITEC, ocho grupos de investigación se han unido durante tres años en un proyecto a gran escala para optimizar a HECTOR. Los científicos vienen de los campos de la informática, la biología, la física y la ingeniería.

En la actualidad, los investigadores están trabajando en el equipamiento de la sección frontal de HECTOR con sensores de largo alcance, como en una cabeza. Ya tienen un prototipo con dos cámaras laterales y dos antenas táctiles. Tanto el sistema visual como el táctil están inspirados en los de los insectos; sus espacios de funcionamiento y su resolución son similares a los de modelos animales.

Equipo de diseño de HECTOREquipo de trabajo

“Un gran reto ahora será encontrar una forma eficaz de integrar estos sensores de largo alcance con los sensores de posición y los sensores de las articulaciones. HECTOR es la plataforma ideal de investigación para hacer esto”, dice Volker Dürr.

A hexapod walker using a heterarchical architecture for action selection

Por otra parte, hasta la fecha Hector ha sido un sistema reactivo: Reacciona a los estímulos de su entorno; gracias al programa de software “Walknet” puede caminar con un paso de insecto; y gracias a otro programa llamado “Navinet” es capaz de encontrar el camino hacia cualquier objetivo distante. Pero Schillling y Cruse también han desarrollado un programa llamado “reaCog” que se activa cuando dos de los otros programas no son capaces de resolver un problema dado.

Este nuevo software permite al robot simular un “comportamiento imaginado” para resolver dicho problema: Héctor busca nuevas soluciones y evalúa si estas acciones tendrían sentido, en vez de completar automáticamente cualquier operación predeterminada. El hecho de ser capaz de imaginar acciones es una característica central de una forma simple de conciencia.

Autoconciencia

Pero en breve, además, Héctor demostrará cómo funciona la nueva arquitectura de software para él creada y que le proporcionará la “autoconciencia”. De momento, esta arquitectura solo ha sido probada en simulaciones informáticas.

Como explica Holk Cruse, “el ser humano posee conciencia reflexiva cuando no solo puede percibir lo que experimenta, sino que también tiene la capacidad de experimentar que está experimentando algo. Por tanto, la conciencia reflexiva existe si un sistema técnico o humano puede verse a sí mismo ‘desde fuera de sí mismo’, por así decirlo”.

Cruse y Schilling han demostrado como puede surgir conciencia reflexiva de un robot. “Con el nuevo software, Héctor puede observar su estado mental interno —en cierta medida, sus estados de ánimo— y dirigir sus acciones, usando esta información”, señala Schilling. Pero, además, estas facultades básicas estarán preparadas para que Héctor también sea capaz de evaluar el estado mental de otros. Así será “capaz de sentir las intenciones o expectativas de los demás, y actuar en consecuencia”, aseguran los investigadores.

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Mecánica del robot didáctico: ruedas principales (1)

En este artículo analizo las opciones para las ruedas principales, de movimiento, del robot didáctico social, y la búsqueda (constante) de muy bajo costo, o si es posible CERO costo. Sólo me quedaré tranquilo cuando se pueda armar totalmente con material de desarme de equipos descartados.

Ruedas

Gracias a un dinero donado pude comprar 96 ruedas de la marca RASTI de 53 mm de diámetro y sus juegos de ejes con dos puntas de encastre.

Ruedas de RASTI

Los ejes son del viejo estilo, no como se fabrican ahora, lo mismo en el caso de las ruedas, aunque en éstas no se nota gran diferencia. Con los ejes es otra cosa, ya que los ejes actuales son de metal con el cabezal de empalme plástico, mientras que los antiguos son totalmente de plástico blando.

Ejes y otras piezas

Los ejes cortos (96 en total) tienen 40 mm de longitud total, 17 de la parte recta del eje en sí y el resto en 11,5 mm de cada uno de los cabezales. La rigidez en el caso de este eje corto es aceptable.

Los ejes largos (48 en total) tienen 74 mm de longitud total, 51 de la parte recta del eje en sí y el resto en 11,5 mm de cada uno de los cabezales. El eje largo se dobla con facilidad.

Ejes blandos

Los 96 ejes cortos parecen ofrecer la mejor solución para empalmar la rueda con el mecanismo de reducción del motor en el robot didáctico. La tarea a pensar seriamente es crear un buje que, en su fricción contra el eje, no lo desgaste ni tampoco se desgaste demasiado. Debería tener, incluso, un punto de ingreso de grasa lubricante.

En el centro de la imagen de abajo se observan las piezas de Rasti que, de a dos, cumplen esta función (de color gris). Pero no me parece que su durabilidad en un uso más intenso, como en un robot para aprendizaje, sea adecuada.

Unión tipo RASTI

El montaje que debemos estudiar no utilizará las piezas de RASTI que se diseñaron como “bujes”, y de uno de los extremos debemos estudiar el método de anclaje (conexión) con el mecanismo de engranajes de reducción de los motores.

Unión que se debe diseñar

Se muestra un diagrama del fabricante del montaje de ruedas con un eje corto (no hacer caso a los colores, no coinciden con los reales de ninguna de las dos clases de ejes que he conocido). Le sigue una imagen con mis anotaciones.

El “buje” ideal sería, como lo son las piezas de ladrillos encastrables originales, una pieza compuesta de dos partes, con su conducto para el eje, dos orificios de fijación y uno en la parte superior, centrado y conectado con el conducto del eje, por donde aplicar la grasa adecuada. Debo averiguar bien con qué material se debería hacer esta pieza que dibujé, más o menos, en la imagen de abajo.

Bloques de montaje diseñados

El próximo paso necesario es conectar el extremo opuesto del eje de la rueda al mecanismo de reducción de la unidad de CD-ROM, sobre el engranaje de salida. Quizás la mejor opción es buscar un engranaje que se ajuste al de este mecanismo y colocarlo en el extremo del eje de RASTI. Uno de los problemas es que en estos mecanismos (como ya comenté en artículos anteriores) hay una variación muy grande de diámetros de engranaje, de paso y cantidad de dientes.

Sin embargo, es una posibilidad más interesante que la de unir directamente el eje al engranaje de salida, ya que aporta facilidad de desarme para el mantenimiento y reemplazo de partes.

En este caso se conectaría así:

Conexión propuesta con engranaje acoplado

Otra opción (con costo de compra, y lamentablemente sin posibilidad de comprar las piezas individuales, ya que solamente se pueden adquirir como parte de kits con muchas otras piezas), sería usar el conector que mostramos remarcado en la foto que sigue:

Pieza de RASTI para encastrar piezas al eje

Este conector nos permitiría unir el eje a aquellos engranajes de salida que tengan suficiente diámetro, en los cuales se puedan perforar los 4 agujeros de encastre para los postes de amarre de esta pieza.




En las fotos que siguen muestro algunos ejemplos de uso de esta pieza.

Pieza de encastre unida a un engranaje (y otros empalmes)Ejemplo de encastre 1

Pieza de encastre unida a una llanta de ruedaEjemplo de encastre 2

Pieza de encastre unida a una polea y a un engranajeEjemplo de encastre 3

Piezas de encastre unidas a piezas “ladrillo” estándarEjemplo de encastre 4

Otra posibilidad es sacar molde del encastre del cubo de la rueda y de la parte circular de la llanta plástica, y crear nuestra propias piezas con epoxi o algún plástico derretible. Puede ser difícil… o no. No tengo experiencia en esta tarea y debería hacer pruebas.

Ruedas

También se podría tomar un molde del punto de unión con el eje de la pieza de encastre de cuatro postes que vimos antes, sólo que del lado de los postes insertables se colocaría un círculo plástico a unir con el engranaje, o un engranaje que coincida en el engranaje de salida de la caja de reducción.

Otra manera es unir un círculo de plástico al extremo del eje (muy bien centrado, y esto me resulta difícil de lograr), y que éste se pueda pegar o atornillar (aunque los tornillos “pesan” y todo lo que sea peso adicional evitable debe ser muy tenido en cuenta en este diseño) a los engranajes de salida de la caja de reducción.

Aquí se observa una solución similar, un tanto tosca, que encontré en Internet (pero es más o menos la idea). Obviamente, se hizo utilizando pegamento. El eje que sobresale del disco gris de la foto sería, en nuestro caso, el eje de RASTI al que va unida la rueda.

Unión eje – engranajeUnión eje con engranaje

El primer intento será: engranajes acoplados al eje y a la salida de la caja de reducción

Ya que en principio parece ser menos complejo agregar un engranaje en el extremo opuesto del eje de la rueda, he desarmado una serie de video-caseteras VHS viejas y descartadas que compré en remates, obteniendo varios pares de engranajes.

Recordemos que cada robot tiene un par de motores y sus juegos de engranaje asociados, de modo que siempre estamos hablando de conjuntos de dos piezas.

Engranajes de desarmeEngranajes varios

El trabajo ahora es buscar de aparear estos engranajes con los de salida de los conjuntos de reducción que obtuve del desarme de unidades de CD-ROM (muy variados en diámetro y paso, como ya dije), y luego buscar la forma más segura y práctica de unirlos al extremo del eje. El resto es montar todo sobre una base.

Continuaré con este tema…

Más información:






Base robótica

Construir un robot sobre un chassis comprado, que ya tiene los elementos necesarios, es mucho más fácil que crear su mecánica: se necesita habilidad de manipuleo, las herramientas correctas y precisión en el trabajo

Si queremos crearlo a partir de materiales de desarme, ya es otra cosa. Un robot necesita una base donde montar la estructura. La plataforma en sí no es un gran problema, se puede recortar de partes de cajas de monitores, impresoras, frentes de PCs, bandejas de CR-ROM, chassis y tapas de discos rígidos, etc. No necesita tener tantas perforaciones y ranuras como tienen las plataformas comerciales. Agujereamos según las necesidades.

La imagen lo ilustraChassis comprado

El problema cuando se busca obtener todos los materiales desde la recuperación de elementos de equipos descartados son las otras tres partes: dos motores con reducción, sus ruedas y una rueda de giro libre, o rueda loca.


En la serie de artículos de los últimos tiempos estuve tratando sobre la recuperación de motores con reducción que puedan adaptarse a un robot didáctico. Quien los haya leído, se habrá dado cuenta de que no es tan fácil como parece, ya que la mecánica de las unidades de CD-ROM, de discos rígidos y de disketteras suele ser muy variada. Cuesta mucho conseguir los pares para cada robot. Deben ser idénticos en lo mecánico y también eléctricamente, aunque compensar las diferencias en la parte eléctrica es más fácil.

Los artículos hasta ahora fueron:

Así que los próximos movimientos deben estar orientados a conseguir ruedas que se adapten a los mecanismos de motor y engranaje que he rescatado de unidades de CR-ROM. No deberían ser compradas (aunque sí pueden provenir de donaciones), o entramos a la situación de crear un robot que no esté formado de partes rescatadas; y este es el programa propuesto.

Otro elemento a lograr es la rueda libre, o rueda loca. El tercer punto de apoyo del robot. Luego vienen los portapilas, y finalmente la electrónica. Son los temas que iré tratando en unas pequeñas notas que seguirán. Hay diversas opciones, pero la elegida no debe hacernos muy esclavos en tiempo de trabajo: las horas-hombre tienen valor cuando no se tiene un mecenas que te mantenga.

Ejemplo de rueda loca compradaRueda loca

Próximamente, un elemento que por simple no se aleja de ser crítico: Ruedas para el robot didáctico.

Ejemplo de base y rueda loca caserasBase y rueda loca caseras






Donaciones para los robots desde Marcos Paz

Nuevas donaciones para desarme y para construir robots de mi plan Robots Didácticos Sociales. Como verán, algunas muy específicas e interesantes. Gracias, Susi, Leonel, Andrea

Conjunto de donaciones recibidasConjunto donaciones
Donaciones

Donaciones para los robots desde Marcos Paz: un auto a control remoto; sin el transmisor del control, aunque igual debe valer mucho dineroAuto de carrera

Donaciones para los robots desde Marcos Paz: este tipo de ruedas, con cubiertas blandas neumáticas, son excelentes para la marcha y agarre de un robot y tienen importantes precios en el mercadoRuedas






Sensores reflectivos QTR para siguelíneas

¿Quién dice que la electrónica no es linda? Este lo que se ve en la imagen de abajo es un sensor por reflexión a utilizar en un robot sigue-líneas avanzado, para que pueda seguir líneas a alta velocidad…

Sensor QTR-8RCSensor QTR-8RC

Por ahora el robot didáctico utilizará con unos sensores más básicos que se llaman CNY70, porque el primer paso en el aprendizaje es hacer que los chicos entiendan bien el concepto. ¡Pero después vamos a hacer el robot que VUELE sobre las pistas!

Ejemplo:

Sensor CNY70Sensor CNY70

Estos son sensores individuales para robots siguelíneas de la misma familia, cada uno equivalente al CNY70. El tamaño del sensor en sí es mucho más pequeño; en este caso, están montados sobre un módulo que ya contiene la electrónica necesaria para adaptar y conectar el sensor al microcontrolador.

Sensores QTR-1RCSensores QTR-1RC

Sensor QTR-1RC Escala del sensor comparada con un fósforo

Los pequeños rectangulitos negros son un conjunto de emisor de infrarrojo y receptor, que emiten un haz contra el suelo y detectan el brillo (o capacidad reflectiva) que tiene éste. Utilizando esta medición y los algoritmos correspondientes en el programa de manejo, el robot puede desplazarse con precisión sobre una línea trazada en el suelo. Los sensores vienen en pares porque va uno de cada lado de la línea guía a seguir.

Sensores QTR-8RC

El sensor para siguelíneas de alta velocidad, en lugar de tener dos sensores (uno a cada lado de la línea) lleva una hilera de 8 (cuatro a cada lado). Esto permite que el robot siga la línea a gran velocidad y con un andar de regulación sobre la línea menos abrupto que cuando trabaja con dos únicos sensores.

Sensor QTR-8RCQTR-8RC

Sensor QTR-8RC / escala con un fósforoQTR-8RC comparado con fósforo

El resistor es para cambiar si se quiere una salida analógica o una salida de pulso (midiendo la longitud del pulso se sabe cuánto está reflejando el sensor, en el caso de que la salida sea analógica, hay que utilizar un convertidor A/D = analógico a digital).


La medición de longitud de pulsos es una opción recomendable, ya que se puede hacer por software o utilizando módulos internos del microcontrolador que son específicos para medir longitud de pulsos. Por esta razón los LEDs no están alimentados todo el tiempo; existe una línea que permite que el funcionamiento del sensor sea pulsado en lugar de poseer una alimentación constante. En la configuración con salida analógica, los LEDs podrían estar alimentados siempre (aunque esto produce un consumo mayor de energía de las baterías). Cuando el circuito está basado en pulsos RC, el funcionamiento debe ser sí o sí pulsado, para que la carga y descarga del capacitor a través del resistor produzca el pulso proporcional a la calidad del reflejo en el objeto inferior, la banda colocada sobre el piso que debe seguir el siguelíneas. No se obtendrían pulsos con una alimentación constante.

DetallesQTR-(RC
QTR-(RC

El conjunto de 8 sensores tiene una marca a lo largo de la cual es posible cortar sin dañar el circuito, lo que lo convierte en un conjunto de 6 sensores por un lado, y uno de dos por el otro.

Sensor QTR-8RCQTR-8RC

CircuitoCircuito

El sensor se instala en el frente del robot, como se observa en las fotografías que siguen con diversos modelos de robots. Obsérvese la escala, teniendo en cuenta que el sensor de reflexión QTR tiene sólo 7 cm de longitud y 12,5 mm de ancho.

Robots con sensores QTR-8RCRobot 1
Robot 2
Robot 3
Robot 4

Para más detalles se pueden leer los datos de los fabricantes.