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Tecnología

Brazos controlados

Investigadores estudian la manera de corregir fallas en robots industriales, y hacer que éstos operen en ambientes de microgravedad

Más de un millón de robots se encuentran dispersos actualmente en el planeta. Éstos ejecutan tareas en centrales nucleares, plataformas submarinas, fábricas de automóviles e incluso en hospitales, ayudando a los médicos a realizar delicadas cirugías cardíacas y neurocirugías, de acuerdo con la Federación Internacional de Robótica. Algunos especialistas estiman que, en el año 2010, el número de sistemas robóticos presentes en los hogares será de alrededor de 5 millones de unidades.

Debido a ello, aspectos relacionados con la confiabilidad y la seguridad de estas máquinas están recibiendo atención redoblada de parte de los expertos en robótica. El grupo de investigadores de la Escuela de Ingeniería de São Carlos de la Universidad de São Paulo (EESC/ USP), encabezado por el ingeniero electricista Marco Henrique Terra, se ha abocado en los últimos años a estudiar la forma de detectar y corregir fallas en robots manipuladores, que en la jerga técnica es como se denomina a los brazos robóticos.

“Las fallas en robots manipuladores pueden originar movimientos descontrolados y ocasionar daños al equipamiento, al ambiente de trabajo y a las personas allí presentes”, dice Marco Terra, uno de los coordinadores del Laboratorio de Sistemas Inteligentes (Lasi) del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la EESC. Ellos desarrollaron prototipos que logran simular movimientos en el espacio, merced a un dispositivo presente en el propio robot, que es capaz de crear un colchón de aire, simulando un ambiente de gravedad cero.

Este colchón consiste en una fina lámina de aire de 2 milímetros de espesor ubicada entre el brazo robótico y la superficie de la mesa de mármol en donde éste opera. Se forma por la acción de un compresor y de un sistema de mangueras conectadas a la base del robot, que soplan aire sobre la mesa. De esta forma el roboy flota, sin ningún rozamiento con la superficie, exactamente como si estuviera en el espacio.

“Con esta tecnología es posible estudiar aspectos del control del robot en ambientes con ausencia de gravedad. Nuestros estudios son importantes, pues en caso de fallas recuperables, la corrección del problema deberá ser ejecutada por el propio robot”, explica Marco Terra. “Pienso que esta investigación puede serle útil a las agencias e institutos de investigaciones espaciales.”

Trabajo simultáneo
Estos estudios, iniciados hace cinco años, han contado con apoyo de la FAPESP , en el marco de la línea regular de auxilio a la investigación. Desde 1998, Marco Terra trabaja en el montaje y en el control de un brazo robótico. La investigación cuenta con la participación de investigadores del Robotics Institute de la Carnegie Mellon University de Pensilvania, Estados Unidos. Éstos armaron los dos robots existentes en el Lasi, denominados UArm II. El segundo proyecto, de 1999, tuvo como meta estudiar el problema de la detección y aislamiento de fallas en robots cooperativos, y la posterior reconfiguración del sistema de control. Robot cooperativo es el nombre dado a dos robots que trabajan simultáneamente y de manera complementaria en una misma tarea.

Generalmente son abocados a tareas que no pueden ser ejecutadas satisfactoriamente por un solo robot, tales como la manipulación de cargas muy pesadas y montajes que involucren diversas piezas. Los dos brazos robóticos del Lasi miden alrededor de un metro de longitud cada uno y tienen la forma de un brazo humano, con tres articulaciones motrices y dos segmentos -las articulaciones corresponderían al hombro, el codo y la muñeca, y los segmentos, al brazo y al antebrazo. En la simulación de las fallas, se suele retirar la fuerza de una de las articulaciones, provocando una alteración en el movimiento del robot.

A partir de allí, los investigadores estudian la forma de corregir la trayectoria del brazo -por ejemplo, aumentando la fuerza de las otras articulaciones- para no perjudicar el desempeño de la tarea. Los diversos métodos desarrollados por los investigadores para la detección y el aislamiento de las fallas y el posterior control se basan en teorías de control y de inteligencia artificial. Las investigaciones también implican el desarrollo de un simulador en el cual puedan reproducirse los más diversos problemas con robots manipuladores. Se han creado tres diferentes versiones de este programa, destinadas tanto a escuelas de enseñanza básica y media como a programas de doctorado, principalmente en las áreas de ingeniería eléctrica, mecánica y mecatrónica. La primera versión se orienta al estudio de la cinemática y la dinámica de robots individuales.

La segunda se destina a experiencias con robots manipuladores que presenten fallas, y la tercera, a robots manipuladores cooperativos. “El simulador, denominado ambiente de simulación y control de manipuladores, podrá utilizarse para la enseñanza más elemental, como así también para los tópicos más avanzados de la investigación”, explica el investigador. La versión más sencilla del simulador ya ha sido probada con éxito por varios especialistas, y está siendo distribuida gratuitamente entre investigadores y estudiantes del área de robótica. La versión completa no está disponible por ahora, puesto que la legalización de los derechos de autor aún se encuentra en trámite.

La intención de los investigadores es hacer que el simulador se incorpore como una caja de herramientas al Matlab, uno de los más utilizados programas de simulación y cálculos matemáticos, desarrollado por la empresa estadounidense Mathworks. “Estamos manteniendo conversaciones con ellos”, afirma Marco Terra. El paso siguiente será el desarrollo del control de manipuladores vía Internet. Cada usuario proyectará el controlador que desee utilizando los simuladores, y podrá probar en forma remota estas técnicas en los robots del Lasi.

Reconocimiento internacional
Las investigaciones llevadas a cabo en el Lasi han tenido reconocimiento a nivel internacional. Más allá de la publicación de artículos en periódicos nacionales (Revista Automação e Controle) e internacionales (International Journal of Robotics), uno de los miembros del equipo fue homenajeado por el Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos (IEEE) de Estados Unidos en diciembre del año pasado.

Durante la 41ª Conferencia de Decisión y Control, el principal evento científico organizado por la entidad, un trabajo sobre técnicas de control no lineal de robots manipuladores desarrollado por Adriano Almeida Gonçalves Siqueira, alumno de doctorado del profesor Marco Terra, fue seleccionado entre los cinco mejores en una categoría que premia a artículos cuyo primer autor es un estudiante. La importancia de este galardón se torna aún más clara cuando se sabe que fueron examinados para la conferencia alrededor de 1.400 trabajos, de los cuales aproximadamente 850 fueron aceptados.

Según Marco, la importancia de los estudios desarrollados en el Lasi puede medirse teniendo en cuenta el selecto club de países que actúan en este campo de investigación. “Tan solo Estados Unidos, Japón, Alemania y Francia han presentado resultados significativos para problemas de fallas con robots manipuladores”, dice el investigador. Dominar ese conocimiento es fundamental para el buen desempeño de actividades que requieren cada vez más del auxilio de estas máquinas.

El Proyecto
Reconfiguración de la Acción de Control Tras una Falla en Robots Manipuladores Cooperativos
MODALIDAD
Línea regular de auxilio a la investigación
COORDINADOR
Marco Henrique Terra – USP
INVERSIÓN
R$ 23.411,25 y US$ 17.000,00

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