Robótica modular

El desarrollo de los sistemas de múltiples robots es un área de investigación en robótica que ha tomado fuerza en los últimos años, sobre todo con el desarrollo de los conceptos de cooperación en robótica y sistemas multiagente, en el marco de la llamada inteligencia artificial. Inspirados, en su mayoría, por fenómenos naturales, estos sistemas han alcanzado una nueva etapa en su desarrollo con los robots modulares reconfigurables. Los sistemas robóticos cooperativos son sistemas de múltiples robots que buscan aplicar conceptos de cooperación en su construcción. Según los investigadores Cao, Fukunaga y Kahng, en el artículo publicado el año 1997 denominado “Robótica móvil cooperativa”, mencionan que la robótica cooperativa puede ser interesante por las siguientes tres razones: (1) Las tareas pueden ser muy complejas o imposibles de resolver para que las resuelva un robot solo, o bien pueden haber mayor rendimiento al usar múltiples robots. (2) Construir y usar varios robots simples puede ser más fácil, más barato, más flexible y más tolerante a fallos que tener un único robot para cada tarea por separado. (3) La robótica cooperativa puede dar luces en problemas fundamentales de las ciencias sociales, entre ellas teoría de la organización, economía, psicología cognitiva, y de las ciencias naturales, como la biología teórica o la etología animal.

Según el autor Castano y sus colegas, en el artículo escrito el año 2002 titulado “Módulos para robots reconfigurables”, además del artículo escrito por Dittrich el año 2004 denominado “Unidad de robot modular, caracterización, diseño y realización”, la característica principal de los robots modulares es que están compuestos por un conjunto de módulos independientes interconectados. Dichos módulos pueden estar especializados, construidos específicamente para un robot particular, o bien pueden ser módulos estandarizados, diseñados para uso general. Los robots modulares pueden ser homogéneos, heterogéneos o mixtos. En los robots homogéneos todos los módulos que lo componen son idénticos. La ventaja principal de este tipo de robots es que, como todos los módulos son idénticos, pueden ser producidos en masa. Esto permite disminuir el costo total del robot. Dado que existe un único tipo de módulo, el problema de reconfiguración se simplifica, ya que no es necesario contemplar el problema de seleccionar el módulo adecuado. Por su parte los robots heterogéneos pueden estar construidos a partir de diferentes tipos de módulos que posean características diferentes entre sí. La ventaja principal del robot heterogéneo es que es posible especializar cada módulo de acuerdo a su función, simplificando su producción y reduciendo su costo. Es posible también agregar módulos específicos paulatinamente, y permitir que el robot los asimile como si hubiera sido diseñado desde un principio con dichos módulos, dándole mayor funcionalidad a medida que se requiera y permitiendo un proceso de mejora incremental a lo largo de la vida útil del robot. Finalmente, los robots mixtos resultan un caso intermedio entre un robot homogéneo y un robot heterogéneo. Este tipo de robot puede estar formado por módulos de distintos tipos. La cantidad de módulos diferentes que deben ser tomados en cuenta es pequeña, normalmente entre dos y tres. Esto permite que el problema de reconfiguración quede acotado y no se complejice tanto como en el caso heterogéneo. Dado que la cantidad de módulos diferentes está acotada, la construcción del robot no es tan compleja como en el caso heterogéneo y como existen diferentes tipos de módulos, cada uno puede especializarse en una tarea particular, pudiendo ser más pequeños, más eficientes y más económicos.

Los robots modulares conforman una rama de los sistemas robóticos cooperativos. Según los investigadores Jantapremjit y Austin, en el artículo escrito el año 2001 titulado “Diseño de un robot modular auto configurable”, un robot modular puede ser definido como “un sistema robótico construido por un conjunto de elementos estandarizados”, normalmente llamados módulos, y que se pueden organizar de diferentes formas para lograr diferentes estructuras y realizar diversas tareas. Los principales objetivos que se tienen en cuenta al diseñar y construir robots modulares pueden resumirse en: (1) Reusabilidad y reconfigurabilidad. A medida que la complejidad de los sistemas aumenta, la necesidad de reutilizar los componentes de los sistemas aumenta también. Es más barato si para una nueva aplicación solamente es necesario reconfigurar hardware y software que generar un sistema nuevo y especializado. La reusabilidad en este sentido se logra con la modularidad. (2) Auto-reconfiguración y auto-ensamblaje. Un robot modular capaz de cambiar la configuración de sus módulos para adaptarse a nuevos entornos o realizar nuevas tareas por sí mismo es uno de los objetivos en los que más se está trabajando actualmente. La forma más usual de lograr esta habilidad consiste en utilizar mecanismos de unión que puedan ser controlados por los mismos módulos y así hacer cambios en la estructura uniendo y desuniendo las partes individuales. (3) Escalabilidad: La escalabilidad se logra cuando la funcionalidad depende linealmente del número de módulos, es decir, se pueden crear sistemas que realicen tareas más complejas al aumentar la cantidad de módulos. En palabras de Murata y sus colegas, en el artículo escrito el año 2008 titulado “Hacia un sistema robótico modular escalable”, la escalabilidad es generalmente difícil de conseguir en sistemas mecánicos pero se facilita relativamente en los sistemas modulares. (4) Confiabilidad y Robustez: Muchos de los sistemas robóticos modulares están pensados para trabajar en condiciones extremas y casi sin intervención humana por lo que se busca que sean lo suficientemente confiables y robustos ante cambios en el ambiente.

Clasificar los robots modulares es una tarea algo difícil debido a la enorme cantidad de prototipos que se han construido y que pueden ser construidos. Es posible distinguir dos grupos principales de robots modulares por su estructura, basándose en la topología y en la forma de conexión las cuales generan diferentes configuraciones geométricas. En este sentido Mark Yim y otros investigadores del centro de investigaciones de Palo Alto, establecieron una primera clasificación de robots modulares en dos grupos: mosaico y cadena, sin embargo varios de los prototipos hasta ahora desarrollados muestran características híbridas entre los dos tipos. Los robots “tipo cadena” se encuentran conformados por cadenas de módulos. Las cadenas de módulos pueden unirse entre sí en posiciones relativamente arbitrarias dependiendo del tipo de unión. Según Murata y Kurokawa, en al artículo escrito el año 2007 titulado “Robots auto reconfigurables”, es posible lograr configuraciones con extremidades, como brazos, piernas o tentáculos que se pueden usar tanto para manipulación como para locomoción, siendo capaces de cambiar tanto el largo como el número de estas. Al poderse reconfigurar en posiciones arbitrarias se hace más difícil tanto la simulación computacional como el control de movimiento, ya que se deben tener en cuenta una precisión y una cantidad de grados de libertad relativamente altas. Los robots tipo cadena pueden ser configurados en formas no muy simétricas y lograr así relaciones par-peso mucho más favorables que otros tipos de robot, como los tipo mosaico, con una menor cantidad de actuadores. El investigador Granosik y sus colegas, en el artículo escrito el año 2005 denominado “Robot serpentina OmniTread para inspección industrial”, propone una subdivisión de los robots reconfigurables tipo cadena en: tipo serpiente y tipo serpentina. Estos robots pertenecen a una tipología unidimensional, lo que no quiere decir que no puedan alcanzar virtualmente cualquier punto en el espacio tridimensional, por ejemplo doblándose.