Sistemas sub-actuados: el futuro de la robótica
Durante los primeros quince años del siglo XXI, la escena de la robótica humanoide estuvo dominada por robots capaces de realizar tareas tales como caminar, trotar, subir gradas, saltar en un pie e incluso patear un balón de fútbol. Si bien estas demostraciones de habilidad motriz son ciertamente impresionantes, basta con observar cualquier video de alguno de los robots de esta época, como el robot ASIMO de la empresa Honda, para percatarse de que sus movimientos son considerablemente más lentos, rígidos y poco elegantes que los de un ser humano. Se podría describir a estos movimientos como “robóticos” o “artificiales”. Sin embargo, entre 2016 y la actualidad, la empresa Boston Dynamics ha tomado al mundo por sorpresa al revelar varios videos de su nuevo robot humanoide Atlas, el cual es capaz de correr en terreno irregular, saltar sobre obstáculos, realizar saltos mortales e incluso bailar, con una destreza igual o mayor a la del ser humano promedio. Es tal la naturalidad de sus movimientos que muchos espectadores han especulado que los videos no son reales, sino que están producidos mediante técnicas de animación digital avanzadas. Sin embargo, estas teorías han sido repetidamente descartadas por expertos en el área de animación, quienes concuerdan en que los movimientos que realiza Atlas en estos videos son auténticos. Esto nos lleva a preguntarnos ¿Qué es lo que permitió a los robots alcanzar este nivel de agilidad en tan corto tiempo? Sorprendentemente, la respuesta radica en que Atlas, a diferencia de sus predecesores, no tiene control completo sobre su propio cuerpo, por lo que debe permitir que las leyes de la física hagan parte del trabajo para poder moverse. Los robots que tienen estas características se conocen como “sub-actuados”, y es muy probable que cumplan un papel protagónico en el futuro de la robótica.
¿Qué es un robot sub-actuado?
Para poder entender el por qué de la agilidad de los robots sub-actuados, tenemos que definir ciertos conceptos. Se conoce como “grados de libertad” a cada movimiento independiente que puede realizar un robot o un mecanismo en general. Por ejemplo, un brazo robótico de seis articulaciones (como los utilizados en entornos industriales) tiene seis grados de libertad, y un dron que puede moverse en las tres direcciones del espacio (largo, ancho y profundidad, o x,y,z en un sistema de referencia cartesiano) y girar alrededor de sus tres ejes (roll, pitch, y yaw, en el lenguaje de la aviación), tiene también seis grados de libertad. Tradicionalmente, los robots suelen estar dotados de un motor (o actuador) para accionar cada uno de sus grados de libertad, dándole completo control sobre su cuerpo. Estos robots se denominan “completamente actuados”. También existen aquellos que tienen motores adicionales, denominados “redundantes”. Finalmente, los robots que tienen un menor número de motores que de grados de libertad se denominan “sub-actuados”. Un brazo robótico industrial es un ejemplo de un robot completamente actuado, ya que tiene un motor en cada una de sus articulaciones (seis en total). Por otro lado, un dron cuadricóptero es un ejemplo de un robot sub-actuado, ya que se mueve con seis grados de libertad, pero solo tiene cuatro motores (uno por cada hélice). Diseñar un robot con menos motores que los necesarios para controlar por completo su cuerpo puede parecer contradictorio. Sin embargo, veremos que existen razones de sobra para estudiar este tipo de robots.
Deja que la gravedad tome el control
El control de los robots sub-actuados es fundamentalmente distinto al de los robots completamente actuados tradicionales. Normalmente, los robots tradicionales usan sus motores para cancelar los efectos de cualquier fuerza externa para poder realizar sus movimientos sin impedimento. Esto tiene la ventaja de que el análisis matemático de estos sistemas se simplifica considerablemente, pudiendo describirse mediante ecuaciones diferenciales lineales, para las cuales todas las técnicas del control clásico son aplicables. La desventaja de este método es que, para cancelar las fuerzas externas, los motores muchas veces deben ejercer torques y fuerzas elevados, aumentando el peso y consumo de energía de estos robots y haciéndolos poco eficientes. Por otro lado, un robot sub-actuado no puede valerse exclusivamente de sus motores para efectuar sus movimientos, a diferencia de un robot tradicional. Esto lo obliga a permitir que fuerzas externas como la gravedad (o incluso el viento, en el caso de ciertos robots voladores) y efectos físicos como la inercia hagan parte del trabajo. Al no contrarrestarse los efectos de fuerzas externas, el modelamiento matemático de estos robots se vuelve mucho más complejo, ya que no es posible efectuar simplificaciones que den como resultado ecuaciones lineales, y se deben considerar también los efectos de las fuerzas externas en las ecuaciones. Si bien la complejidad matemática de los sistemas sub-actuados hace que controlarlos sea una tarea difícil, estos también tienen varias ventajas importantes, que se detallarán a continuación.
Ventajas de los robots sub-actuados: eficiencia, agilidad y seguridad
Una de las ventajas de los sistemas sub-actuados es que, al no depender completamente de los motores para realizar sus movimientos, y al tener un menor número de actuadores, su consumo de energía es menor; es decir, son energéticamente mucho más eficientes que los robots completamente actuados. Tener requerimientos de torque y fuerza menores también implica que los motores utilizados pueden ser de menor tamaño. Motores menos voluminosos y en menor cantidad conllevan una disminución importante en el peso del robot, lo cual es muy deseable, ya que ayuda a incrementar su agilidad, capacidad de carga y autonomía. La disminución de peso y consumo de energía son factores especialmente críticos para el diseño de robots móviles, sean estos terrestres, aéreos, acuáticos. Otra ventaja importante de los robots sub-actuados es que pueden efectuar movimientos mucho más naturales y fluidos, como en el caso del robot Atlas mencionado en la introducción del presente artículo. Esto se debe a que los robots sub-actuados se asemejan mucho más a los seres vivos que los robots tradicionales, desde un punto de vista mecánico y funcional. De hecho, la gran mayoría de animales tienen mecanismos de locomoción sub-actuados. Por ejemplo, los insectos y las aves realizan maniobras aéreas mucho más complejas que las de los más sofisticados aviones de combate, ayudándose de corrientes de aire y de la distribución de su propio peso, y los peces de agua dulce son capaces de nadar incluso en las corrientes más turbulentas sin dificultad. Por lo tanto, la mejor forma de diseñar robots que puedan efectuar movimientos similares a los que vemos en la naturaleza es mediante mecanismos sub-actuados, con sistemas de control cuidadosamente diseñados. Por último, cabe recalcar que, bajo ciertas circunstancias, incluso un sistema completamente actuado puede convertirse en un sistema sub-actuado, por ejemplo, en casos en los que alguno de sus motores falle o no tenga suficiente potencia para efectuar ciertos movimientos. Dotar a un robot o vehículo no tripulado de la capacidad de funcionar incluso en la ausencia de uno de sus motores los hace más seguros y confiables.
Avances y desafíos de la robótica sub-actuada
El principal reto en el diseño de robots sub-actuados, como se ha mencionado anteriormente, radica en la complejidad matemática de su modelamiento y control. Al no poder linealizarse de forma tradicional las ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento dinámico de estos robots, la mayoría de técnicas y algoritmos del control clásico no se pueden utilizar. Se han desarrollado varias técnicas novedosas para controlar sistemas sub-actuados, entre ellos métodos no lineales como el control Sliding Mode, el cual modifica la dinámica de un sistema mediante la aplicación de una señal de control discontinua para obtener el comportamiento deseado; el control por el método de backstepping y el control por el método PFL (Partial Feedback Linearization), los cuales utilizan técnicas matemáticas para transformar las ecuaciones a un sistema de coordenadas más manejable. También se han aplicado técnicas como la programación dinámica, que trata al diseño del sistema de control como un problema de optimización, utilizando métodos numéricos iterativos para obtener una ley de control apropiada. Por último, se han utilizado varias técnicas propias de la rama de la inteligencia artificial para controlar sistemas sub-actuados, tales como la lógica difusa y el Machine Learning, específicamente el aprendizaje por refuerzo. Si bien estas técnicas se han podido aplicar experimentalmente al control de sistemas sub-actuados con cierto grado de éxito, todas ellas aún exhiben limitaciones que impiden su implementación en aplicaciones prácticas. Por ejemplo, muchas de estas técnicas solo pueden aplicarse a sistemas con pocos grados de libertad. Otras son computacionalmente muy demandantes, haciéndolas poco prácticas, y casi todas son considerablemente sensibles a perturbaciones e incertidumbres, por lo que no funcionan correctamente fuera de entornos completamente controlados.
Conclusión
El modelamiento y control de sistemas sub-actuados se ha convertido en una de las áreas de investigación más activas dentro del campo de la robótica. Estos sistemas tienen gran potencial para resolver muchos problemas prácticos y de gran relevancia en la robótica, tales como lograr que robots bípedos puedan caminar y correr de forma ágil y eficiente, permitir a vehículos aéreos y acuáticos no tripulados maniobrar con una agilidad y eficiencia comparables a las de las aves y los peces, y lograr diseñar mecanismos que permitan manipular objetos con la destreza de la mano humana, con la finalidad de ser utilizados como prótesis y órtesis. Si bien se han realizado grandes avances teóricos en las últimas dos décadas, los primeros robots sub-actuados con aplicaciones prácticas apenas han comenzado a surgir, y aún queda mucho trabajo por hacer para desarrollar algoritmos que puedan controlar este tipo de robots de forma óptima, robusta y eficiente. Si usted, estimado lector, encuentra interesante este campo de investigación, uno de los primeros pasos para involucrarse en él es aprender las bases del modelamiento y control de sistemas sub-actuados. Uno de los mejores recursos disponibles para este fin es un curso impartido por el MIT, denominado “Underactuated Robotics”, al cual se puede acceder de forma gratuita a través de la plataforma de aprendizaje virtual EDX. Mediante nuevas contribuciones que promuevan el avance de la robótica sub-actuada, podemos esperar ver robots que se muevan cada vez menos como robots y más como seres vivientes en los próximos años, haciéndolos más eficientes, ágiles y seguros, expandiendo así su potencial para realizar tareas que contribuyan al beneficio de la raza humana.
Referencias
[1] B. He, W. Shuai y L. Yongjia, «Underactuated robotics: A review,» International Journal of Advanced Robotics Systems, nº July-August, pp. 1-29, 2019.
[2] L. Yang y Y. Hongnian, «A survey of underactuated mechanical systems,» IET Control Theory and Applications, vol. 7, nº 7, pp. 921-935, 2013.
[3] Boston Dynamics, «Atlas, The Next Generation,» 23 Febrero 2016. [En línea]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=rVlhMGQgDkY.
[4] Boston Dynamics, «Atlas | Partners in Parkour,» 17 Agosto 2021. [En línea]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=tF4DML7FIWk.
[5] Massachusetts Institute of Technology, «Underactuated Robotics,» 18 Diciembre 2014. [En línea]. Available: https://courses.edx.org/courses/MITx/6.832x/3T2014/course/.
