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*( Texto de la ponencia presentada al III Congreso Univer-sidad, Cooperación y Desarrollo, Madrid, abril 2006.

Antecedentes

En la actualidad nuevas tecnolo-gías y ramas de la investigación hanvolcado su atención hacia la comuni-dad científica; entre ellas tenemos ala genética, la exploración del espa-cio, la robótica, etc., todas éstas congrandes e importantes aplicaciones,pero con una complejidad que re-quiere de la participación de unamayor cantidad y calidad de científi-cos en todo el mundo.

El presente proyecto pertenece alcampo de la robótica, rama que noha sido desarrollada en nuestropaís; por ello mediante la realiza-ción de un robot bípedo (robot pre-parado y construido para que pue-da movilizarse en dos piernas simu-lando la caminata de una persona)se pretende sentar un primer esca-lón sobre el cual se levanten proyec-tos de mayor complejidad y aplica-ción en este campo.

Existen grandes avances en todo elmundo en el desarrollo de robots bí-pedos y humanoides (robots con

apariencia humana), tal es elcaso de Honda al construir aASIMO su robot; Sony, consu robot Qrio; etc., de aquíque resulta ilusorio pensarque los autores de este pro-yecto pretendan rivalizarcon estas grandes compa-ñías que han dedicado añosa la investigación y creaciónde éstos prototipos. Ele-mentos y condiciones físicascomo económicas son fac-tores decisivos; además, queson empresas que han dedi-cado años a la investigacióntecnológica para desarrollaresta clase de robots, pero co-mo se mencionó anterior-mente, este proyecto intentaser la base sobre la cual des-peguen otros.

La pregunta podría ser:¿Por qué robots humanoides?

La respuesta está funda-mentada en los siguientesdos aspectos:

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT BÍPEDO EXPERIMENTAL

José Larriva, Edyson Guillermo, José Trelles, Oscar Vele*

* Alumnos de la Universidad Politécnica Salesiana, Cuenca.

• Generación de campos de investi-gación tales como: Mecatrónica,Teoría de Control, Integración yFusión sensorial, Simulación com-putarizada, etc.

• Aplicaciones en diferentes camposcomo: publicidad, entretenimiento,inclusive en un futuro cercano po-dríamos tener asistentes domésti-cos robots, robots humanoides parala exploración del espacio o paraambientes peligrosos, etc.

La principal ventaja de los robotshumanoides sobre otro tipo de ro-

bots es que pueden desenvolverse ensuperficies irregulares, gradas, etc.,sin embargo, la complejidad en eldiseño y control aumenta conside-rablemente.

A partir de lo dicho anterior-mente, se puede notar que el estudiode robots bípedos es un tema apa-sionante con amplios campos de in-vestigación y aplicación, la impor-tancia de COMENZAR en nuestromedio con la realización de este tipode proyectos.

Se ha realizado el diseño y cons-trucción de un robot bípedo en su

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Foto 1

Robot en caminata

primera fase, es decir, un robot quetiene la capacidad de caminar en lí-nea recta sin perder el equilibrio.

Fundamentos de la caminatabípeda

Los humanos utilizamos muy po-ca energía (actividad muscular) y unmínimo de procesamiento por partedel cerebro para mantener una cami-nata a un ritmo moderado, sin em-

bargo, el proceso de caminar es mu-cho más complejo de lo que parece,ya que no sólo se requiere de “dar pa-sos”; pues en este proceso están invo-lucrados pies, cadera, torso, brazos,hombros, cabeza, etc. Una coordina-ción perfecta de todos los elementosanteriores hace que la caminata hu-mana sea eficiente y al mismo tiem-po “elegante”.

En la siguiente figura se observa unmedio ciclo en la caminata humana:

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Diseño y construcción de un robot bípedo experimental

Foto 2

Medio ciclo de caminata humana

a

c

b

d

e

La caminata comienza con los dospies extendidos y sobre el suelo (fi-gura a), en donde el equilibrio no esmuy significativo. El gran problemacomienza al levantar uno de los dospies para realizar los movimientos delas figuras b, c y d, ya que la tenden-cia es caer hacia ese lado y hacia de-lante o atrás dependiendo del estadodinámico del robot en ese instante.Para evitar que el robot caiga se de-ben realizar correctivos a los movi-mientos del robot (p. ej.: mover elcentro de masa al lado contrario alpie levantado), permitiendo así la es-tabilidad dinámica de la caminata. Elmedio ciclo se completa cuando losdos pies vuelven a estar en el suelo(figura e). El otro medio ciclo esidéntico, solamente que el pie que selevanta es el que anteriormente ser-vía de apoyo y viceversa.

Simulación del robot

Al considerar la dificultad pararealizar un modelo mecánico del ro-bot en forma inmediata, fue necesariobuscar una herramienta que permitasimular cuerpos en movimiento.

En cualquier proceso en el que seinvolucren partes mecánicas en mo-vimiento se impone un exhaustivoanálisis físico y matemático tomandoen cuenta la dificultad que eso con-lleva. Otra herramienta de análisis

para estos fenómenos son los progra-mas de simulación, los cuales existende todos los tipos y para muchasaplicaciones; por mencionar algunosse tiene a MATLAB, VisSim, Three-DimSim, etc., los mismos que facili-tan de gran forma el análisis de siste-mas mecánicos en movimiento, algu-nos de ellos incluso trabajan con en-tornos en tres dimensiones. La venta-ja de utilizar estos programas de si-mulación es que se optimiza el análi-sis matemático y en muchos de loscasos se pueden obtener importantesdeducciones en forma eficaz y rápi-da. Otra ventaja de los programas desimulación es que su complejidad enel diseño y análisis no aumenta a me-dida que se adicionan componentes,cosa que no sucede con el análisismatemático. Se ha mencionado quela simulación sustituye de cierta for-ma al análisis físico-matemático, pe-ro cabe destacar que para realizaruna simulación que represente debuena forma a la realidad se debentener muy claros los conceptos yprincipios fundamentales de la física.Es importante destacar que ningúnsoftware emulará en forma efectiva aun fenómeno físico, de aquí, que lapericia, conocimiento y sentido co-mún del programador juegan un pa-pel fundamental.

La simulación del robot fue reali-zada en MATLAB mediante las he-

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rramientas: SimMechanics y VirtualReality Toolbox. La primera permitesimular cuerpos en movimiento sintener que analizar ninguna ecuacióndiferencial y la segunda permite vi-sualizar e interactuar con sistemasdinámicos en un entorno de tres di-mensiones; esto es una gran ventaja,ya que se puede observar en forma“real” el desempeño del robot y tam-bién la estética de la caminata.

El principal objetivo por el cual serealizó esta simulación es para deter-minar el tamaño del robot, es decir,se logró determinar los requerimien-tos de torque para los motores de ca-

da articulación, que posteriormentese compararon con los valores detorques máximos de los servomoto-res disponibles en el mercado, limi-tando así el tamaño del robot.

También se probaron algunos al-goritmos de monitorización y con-trol en el “robot virtual”, sin embar-go, el requerimiento computacionalnecesario en el computador es ungran limitante, pudiendo tener simu-laciones muy lentas.

La simulación dinámica del roboten MATLAB constituyó un aporteinvaluable para esta tesis, ya que seprobaron la mayoría de teorías y fun-

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Diseño y construcción de un robot bípedo experimental

Foto 3

Simulación computarizada del robot

damentos de la caminata bípeda. Seha podido determinar la gran impor-tancia de una simulación en proyec-tos de este tipo, pues el investigadorpuede probar una serie de hipótesissobre el fenómeno que estudia, sinque esto represente ningún riesgo nidesperdicio de recursos; es así, que seha trabajado durante meses en elanálisis físico y planeación de cami-nata previa a la construcción del ro-bot. Se puede decir con propiedadque la simulación computarizada noes un aspecto opcional, representaun elemento fundamental en este ti-po de proyectos.

Descripción del proyecto

El robot está compuesto básica-mente de tres componentes: controla-dor (computador personal), móduloelectrónico y estructura mecánica.

a) Sistema mecánicoUno de los principales retos queplantea la construcción del robotbípedo es el diseño y elaboracióndel sistema mecánico, el mismoque debe cumplir con todos losrequerimientos tanto en preci-sión, eficiencia, operatividad yprincipalmente desempeño.

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Foto 4

Diagrama estructural del robot

CONTROLADOR EXTERNO

MÓDULO ELECTRÓNICO

Interfaz de mando deactuadores

Adquisición de datos(sensores)

SMI

Actuadores

Sensores de posición

Sensores de fuerza

SISTEMA MECÁNICO

Fue de vital importancia en el di-seño y construcción de un robot ca-minador tomar en cuenta todos losposibles movimientos que éste debetener y cómo se relacionan mutua-mente, con ello, se pone de manifies-to que en un ciclo de caminata nor-mal todos los actuadores (motores)del robot van a estar en funciona-miento, lo cual plantea una grancomplejidad del sistema mecánico.

Antes de iniciar la construccióndel robot se realizó un profundoanálisis estático y dinámico con elpropósito de tomar en cuenta todoslos efectos contraproducentes al mo-vimiento de cada una de las partesdel robot.

Manteniendo claros estos concep-tos, el robot fue dotado con cincoGrados de Libertad (articulacionessimples giratorias) en cada pierna,que son justamente los principalesmovimientos que puede ejecutar elcuerpo humano para caminar en lí-nea recta, de esta forma se puede ge-nerar movimientos bastante comple-jos y muy similares a los de la cami-nata humana.

Una de las partes fundamentalesen la construcción del robot bípedoes la elección o el dimensionamientode la estructura, la elección de estasmedidas no fue tarea fácil, pues exis-tían grandes limitantes como: el cos-to, limitantes de los motores, tamaño

de los elementos, consumo de ener-gía, etc., que representan grandesproblemas y complicaciones tanto enla parte electrónica como mecánica.

Tras un breve análisis se puedeobservar que si se diseña un robot detamaño natural, la construcción delas partes mecánicas se simplifica, yaque se cuenta con un gran espacio enel cual se puede trabajar y ubicar fá-cilmente no solamente los actuado-res y sensores, sino además todas lasplacas electrónicas y demás elemen-tos. Por otro lado, el gran tamaño delrobot obliga a utilizar motores gran-des donde la respuesta será lo sufi-cientemente rápida para poder ope-rar y efectuar los movimientos; ade-más, el costo y la demanda de energíaque se necesitaría para poder generarla caminata serían elevados.

Teniendo presente todo ello y al-gunas consideraciones más, se optópor construir un robot cuyas dimen-siones giren alrededor de 50 cm dealtura. Para cumplir con esta pro-puesta se tomaron en cuenta las di-mensiones reales de una personamultiplicada por un factor de escala-miento cuyos resultados brindan lasdimensiones reales de cada una delas partes.

Una vez recopilada toda la infor-mación acerca de los actuadores,sensores, tamaños de los elementosmecánicos, grados de libertad y cir-

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Diseño y construcción de un robot bípedo experimental

cuitos electrónicos, se procedió a di-señar en AUTOCAD cada una de laspiezas mecánicas.

En el robot se distinguen básica-mente dos tipos de sensores: Sensorde Medida Inercial (SMI) y Sensoresde presión.

Los Sensores de Presión fueronubicados en cada una de las plantasde los pies (4 en cada pie), los mis-mos recogen información sobre lasfuerzas que interactúan entre el ro-bot y el piso durante la caminata.

El Sensor de Medida Inercial ha si-do instalado en el tronco del robot bí-pedo, que es el punto de referenciapara los diferentes análisis y procedi-

mientos. Este sensor se encarga de re-gistrar aceleraciones lineales y veloci-dades angulares, las mismas que per-miten, entre otras cosas, encontrar lainclinación absoluta del robot; infor-mación importante al momento decontrolar el equilibrio del mismo.

b) Módulo electrónicoEl módulo electrónico actúa co-mo una interfaz entre el controla-dor externo y el sistema mecáni-co. Básicamente las funciones deeste módulo son tres:

• Comandar y coordinar eficien-temente el funcionamiento de

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Foto 5

Diseño de una pieza en 2D

Vista posterior pieza_01 Vista lateral pieza_01 Vista frontal pieza_01

los diferentes actuadores, losmismos que posteriormente de-finirán cada uno de los gradosde libertad del robot bípedo, apartir de la información de po-sición enviada por el controla-dor externo.

• Chequear constantemente el es-tado de los diferentes sensores yenviar dicha información enforma rápida y segura hacia elcontrolador externo.

• Garantizar la adquisición de se-ñales libres de ruido mediante eluso de adecuados sistemas defiltrado.

c) Controlador ExternoA partir de la información pro-porcionada por el sistema elec-trónico y parámetros proporcio-nados por el programador, elcontrolador se encarga de reali-zar los diferentes algoritmos yprocedimientos necesarios paralograr la caminata bípeda. En es-ta ocasión el controlador ha sidoimplementado en un computa-dor personal. En el siguiente dia-grama funcional se explica enforma detallada las tareas delcontrolador.

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Diseño y construcción de un robot bípedo experimental

Foto 6

Diagrama funcional del controlador

Parámetros decontrol

Señales hacialos motores

Señales hacialos motores

Planificaciónde caminata

Control deequilibrio

CONTROLADOR ROBOT

El bloque de planificación de ca-minata genera las diferentes secuen-cias y trayectorias que permiten queel robot camine.

Antes de explicar el bloque decontrol de equilibrio, es importantefamiliarizar al lector con algunos tér-minos utilizados comúnmente en elestudio de la caminata bípeda:

• Polígono de soporte.- Es la figurageométrica plana formada en elpiso por uno o dos pies, depen-diendo del estado de la caminata.

• FRI (Foot Rotation Indicator –Indicador de rotación del pie).-“Es el punto en la superficie

(dentro o fuera del polígono desoporte), en el cual la fuerza dereacción del piso tendría que ac-tuar para que el pie de apoyopermanezca estacionario”. Estepunto ha sido determinado conel único objetivo de simplificar elanálisis de la caminata bípeda, yaque si este punto está fuera delpolígono de soporte el robottiende a caer, es decir, que si estepunto está siempre dentro delpolígono de soporte, se garantizala estabilidad dinámica de la ca-minata. La posición del FRI esuna consecuencia directa del es-tado dinámico del robot. Algu-

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Foto 7

Interfaz gráfica

nos autores conocen a este puntocomo ZMP (Zero moment point– Punto de momentos cero).Entonces, la principal función delsistema de control de equilibrio esmantener al FRI dentro del polí-gono de soporte, para esto, deberealizar las correcciones necesariasen los movimientos del robot.

Finalmente, los parámetros decontrol son ingresados a través deuna interfaz gráfica creada en MA-TLAB, la misma que permite confi-gurar la caminata del robot. Entre losparámetros que se pueden ingresarse tiene: número de pasos, velocidadde caminata, geometría de la cami-nata, etc.

Resumiendo, entre las tareas delcontrolador se encuentran: manejodel flujo de datos, interpretación delos parámetros de control, simula-ción de los movimientos del robot,cálculo de la cinemática, dinámica(p. ej., de la ubicación del FRI), pla-nificación de trayectorias, etc.

Investigación a futuro

A continuación se exponen al-gunos de los posibles temas quecomplementarían este proyecto, afin de lograr una emulación muchomás robusta del comportamientohumano.

• Implementación del giro.- Ac-tualmente el robot puede cami-nar en línea recta, hecho que limi-ta su movilidad. Para lograr que elrobot realice giros se deben aña-dir las articulaciones que permi-tan realizar este cometido; así co-mo también, el análisis y desarro-llo de la planificación de dichosgiros. Evidentemente, si el robottiene la capacidad de girar, éstepuede dirigirse a cualquier lugardentro de una superficie regular.

• Implementación y control debrazos.- Quizás este sea el aspectodeterminante y la diferencia entreun robot bípedo y un humanoide.El robot al poseer brazos podríatomar y manipular objetos (ayu-dado por un sistema de visión), amás que los brazos en determina-das circunstancias ayudarían amantener el equilibrio en la cami-nata, tal como ocurre en las per-sonas. El hecho de añadir brazosal robot implica una mayor com-plejidad en la mecánica, análisis ycontrol del robot.

• Sistema de audición.- Dentro deeste sistema podemos destacar elreconocimiento de palabras y fra-ses, la determinación del origen deun determinado sonido, identifica-ción del hablante, etc., cualidadesperfectamente dominadas por losseres humanos, pero una tarea ex-

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Diseño y construcción de un robot bípedo experimental

tremadamente ardua y complica-da para las máquinas. Mediante laimplementación de este sistemase crea la primera interfaz “ami-gable” hombre-robot, ya que seestablece la interacción medianteel lenguaje. El robot podría reco-nocer ciertos comandos y órde-nes, que inmediatamente seríanejecutadas conforme a las capaci-dades del robot.

• Sistema de visión.- Permitirán alrobot conducirse a través de am-bientes con la presencia de obstá-

culos, tales como muros, pilares ydemás, para esto se debe analizare implementar algoritmos de vi-sión estereoscópica (percepciónde la profundidad – visión tridi-mensional). Se encuentran ya endesarrollo los algoritmos para ladetección de objetos móviles, loscuales permitirán que el robotidentifique objetivos dentro deun ambiente hacia los cuales diri-girse sin necesidad de ser especifi-cados por un agente externo co-mo es el programador.

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Foto 8

Esquema general del sistema de visión estereoscópica

Cámaraizquierda

Cámaraderecha

Procesamiento 3D

Servomotoresde las cámaras

Mapa 3D Posiciónactual

Tarjeta deprocesamiento

de imágenes basada en el

microprocesadorADSP-BF561Construcción del mapa 3D

y localización del robot

Procesamiento 2D

• Desarrollo de Inteligencia.- Entreotras cosas, el robot deberá tenerla capacidad de tomar decisionesadecuadas ante situaciones ines-peradas. Otro aspecto a conside-rar es el autoaprendizaje, que porel momento es una característicainherente a los humanos; es decir,que mientras mayor atención yenseñanza reciba el robot, mayo-res serán sus capacidades y logros.

Son innumerables las posibilida-des de desarrollo que ofrece esta te-mática, de hecho, se conoce de gran-des avances dentro de la emulación delos sentidos, hablamos de la interpre-tación del olor y sabor, y por supues-to sensores de tacto. Robots que cadavez más se aproximan a los humanos,en cuanto a su desempeño y aparien-cia, desarrollo limitado únicamentepor la velocidad de los procesadoresde la actualidad, situación que segura-mente no durará mucho tiempo.

Conclusiones

El desarrollo de un robot bípedo,al ser un tema de investigación relati-vamente nuevo, requiere de un ex-haustivo estudio, en donde la física,matemáticas, teoría de control, etc.,se juntan para intentar establecerprincipios y teoremas generales quedescriban el comportamiento de la

caminata bípeda. Muchos e impor-tantes aportes han sido realizadospor científicos en todo el mundo, sinembargo, todavía existe una gran di-ferencia entre la caminata naturalhumana y la caminata artificial robo-tizada, tanto en estética como en efi-ciencia, es decir, que todavía quedamucho trabajo que hacer si el objeti-vo es emular el modo de caminar delas personas.

Quizás el objetivo principal por elcual se realizó este proyecto fue el deIMPULSAR y COMENZAR con estetipo de intentos sobre todo en nues-tro medio, objetivo que ha sido cum-plido, pues queda sentada ya la baseteórica, material en extremo impor-tante sobre el cual pueden surgirproyectos de investigación de mayorjerarquía, incluso en temas comple-mentarios, ya que los principios de lacaminata bípeda bien podrían seraplicados en el diseño y construcciónde prótesis o en el estudio de depor-tistas de alto rendimiento.

“Un robot capaz de movilizarseen dos piernas!” para algunos unautopía (en nuestro medio obviamen-te), para otros no tiene sentido y lamayoría pregunta “Qué más hace elrobot?, El robot sólo camina?, etc.”;para los autores de este proyecto sim-plemente representó una gran opor-tunidad para investigar, una maravi-llosa oportunidad para aprender.

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Foto 9

Página WEB del proyecto

Foto 10

Equipo de trabajo del proyectoDe izquierda a derecha: Tnlg. José Trelles, Tnlg. Oscar Vele, Tnlg. Edyson Guillermo, Tnlg. JoséLarriva.

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Este proyecto ha sido desarrolla-do en dos tesis, cada una con un res-petable nivel de complejidad, ademásde ser dos estudios que se comple-mentan para lograr un objetivo co-mún. Dos tesis en las que la una no esmás importante que la otra, ya quedel éxito de cada una de ellas depen-de la superación del proyecto. Una delas tesis se ocupó del estudio, análisisy control de la caminata bípeda, loque viene a ser el desarrollo teóricodel proyecto. La tesis complementa-ria se encargó de la realización delsistema mecatrónico sobre el cual seprobaron con éxito los algoritmos ysistemas propuestos.

Es indudable que existe muchotrabajo que se deja pendiente dentrodel desarrollo de un robot bípedo,quizás eso justifique los 20 años ymillones de dólares que la firmaHonda ha invertido en la realizaciónde sus robots humanoides.

Una página WEB para difundirlos conocimientos adquiridos duran-

te la realización de este proyecto hacomplementado nuestro trabajo. Esfundamental concienciar a los estu-diantes y nuevos investigadores queun conocimiento debe ser difundidode forma adecuada ya que es la únicamanera que el nivel científico y tec-nológico en nuestro medio se desa-rrolle; y para cumplir con este come-tido también se requiere de un ma-yor apoyo institucional y económicoa los proyectos investigativos; sinembargo, la astucia y perseveranciade los estudiantes siempre serán lapiedra angular de cualquier GRANHAZAÑA TECNOLÓGICA.

Información

Para mayor información del pro-yecto visite:

http://loslocosproyectos.blogspot.com

o contáctenos a:loslocosproyectos@yahoo.com

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