Creando nuestro robot móvil

1.- Tipos de plataformas

El primer paso que se da en la construcción del robot es la elección de su configuración, esto es, definir como estarán distribuidos los principales elementos que lo componen: ruedas, plataforma, motores. La precisión de las mediciones que haga nuestro robot, dependerá en gran medida de la configuración que le demos.

La elección de la plataforma móvil es sin duda la parte más fundamental a la hora de diseñar una plataforma, dependiendo de las necesidades que necesitemos, buscaremos unas u otras características, dichas características son principalmente respuesta ante cualquier superficie, velocidad, maniobrabilidad, equilibrio, etc. En  relación  a las ruedas,  existen  distintas configuraciones,  típicamente utilizadas en  robótica móvil: diferencial, triciclo, Ackerman, sincronizada, omnidireccional, con múltiples grados de libertad y movimiento mediante orugas.

1.1 Configuración diferencial

La configuración  diferencial  se presenta como  la más sencilla de todas.  Consta de dos ruedas situadas diametralmente opuestas en un eje perpendicular a la dirección del robot. Cada una de ellas irá dotada de un  motor,  de forma que los giros se realizan  dándoles diferentes velocidades. Así, si queremos girar a la derecha, daremos mayor  velocidad al motor izquierdo.

Para girar a la izquierda, será el motor derecho el que posea mayor velocidad. Con dos ruedas es imposible mantener la horizontalidad del robot. Se producen cabeceos al cambiar la dirección. Para solventar este problema, se colocan ruedas “locas”. Estas ruedas no  llevan  asociadas ningún  motor,  giran  libremente  según  la  velocidad  del  robot.  Además, pueden  orientarse según  la dirección  del  movimiento,  de forma análoga a como  lo  hacen  las ruedas traseras de los carritos del  supermercado.  Dependiendo  de las necesidades,  se pueden colocar una, dos o más ruedas “locas”. 

Sin embargo, la presencia de más de tres apoyos en el robot (incluidas las dos ruedas de tracción),  puede  llevar a  graves  cálculos  de  odometría  en  terrenos irregulares,  e  incluso  a pérdida  de  tracción  total.  En  la  figura  se  aprecia  cómo  la  rueda  de  tracción  pierde  agarre, haciendo imposible el avance del robot:

Figura 1. 1.- Más de una rueda loca puede provocar la falta de tracción

Podemos resumir la configuración como: dos ruedas con tracción independiente, y una o más ruedas locas.

Figura 1. 2.- Disposición de las ruedas en configuración diferencial con una rueda loca al frente

Para llevar a cabo una navegación por odometría, es necesario acoplar a los motores de las ruedas laterales sendos encoders,  de forma que contando  los pulsos que avanza cada rueda y teniendo en cuenta el radio de la misma y la reducción del motor, no hay más que aplicar las ecuaciones cinemáticas del  robot para hallar la posición  exacta en  la que se encuentra y el ángulo de desviación respecto a una dirección de referencia.

1.2 Configuración en triciclo

En este caso, se dispone de tres ruedas en el robot, situadas de forma similar a los triciclos de  los niños,  de  ahí  su  nombre.  Tendremos por tanto,  dos ruedas traseras,  que  no  llevan acopladas ningún  motor.  La  tracción  estará  en  la  rueda  delantera,  que  además,  será  la  que usaremos para dirigir al robot. (Ver figura 1.3.).

En  este caso,  el  cálculo  de la odometría es mucho  más sencillo.  La posición  del  robot vendrá dada por el número de pulsos que avanza el encoder de la rueda motora, y la dirección es simplemente la que lleve dicha rueda. 

Un problema asociado a esta configuración es que el centro de gravedad tiende a alejarse de la rueda de tracción  terrenos inclinados cuando el robot lleva la dirección de subida. Esto se traduce en una pérdida de la tracción del robot. Al perderse el contacto con el suelo la rueda motora sigue girando, pero el robot no avanza. Esto supone un error grande al  hacer el cálculo de la odometría, ya que el robot indica que está en un punto más avanzado, cuando en realidad se encuentra más atrás.

Figura 1. 3.- Configuración típica en triciclo

1.3 Configuración Ackerman

Se usa casi exclusivamente en la industria del automóvil. Es la configuración que llevan los coches:  dos  ruedas  con  tracción  traseras,  y  dos  ruedas  de  dirección  delanteras.  Esta configuración  está diseñada para que la rueda delantera interior en  un  giro  tenga un  ángulo ligeramente más agudo que la exterior, y evitar así el derrape de las ruedas.

Como se puede apreciar en la figura, las normales a ambas ruedas se cortan en un punto, que se encuentra sobre la prolongación del eje de las ruedas traseras. Así, se puede comprobar que  las  trayectorias  de  ambas  ruedas  para  ángulos  de  giro  constantes  son  circunferencias concéntricas.

La relación entre los ángulos de las ruedas de dirección (ver figura 1.4.) viene dada por la ecuación de Ackerman:

cot(θ1) - cot(θ2) = d / l

donde:

θ1 = ángulo relativo de la rueda interior
θ2= ángulo relativo de la rueda exterior
l = separación longitudinal entre ruedas
d = separación lateral entre ruedas

Figura 1. 4.- Configuración típica Ackerman.

La configuración de Ackerman da una solución bastante precisa para la odometría a la vez que constituye un  buen  sistema de tracción  incluso  con  terrenos inclinados.  No  obstante,  la construcción  mecánica  de  un  robot  con  configuración  Ackerman  se  complica  de  forma exponencial respecto a las anteriores. Por otro lado, el robot propuesto va a operar en interiores de  edificios,  con  lo  que  el  terreno  no  va  a  presentar dificultades como  para  necesitar una configuración tan compleja.

1.4 Dirección sincronizada

Supone una configuración innovadora. Consiste en tres o más ruedas, todas ellas dotadas de tracción y acopladas mecánicamente, de forma que todas rotan en la misma dirección y a la misma  velocidad.  Se  necesita  que  todas  ellas  pivoten  de  la  misma  manera  al  cambiar  la dirección.  Este sistema necesita de una gran  sincronización,  que redunda en  una odometría mejorada reduciendo  el  deslizamiento  de las ruedas respecto  al  suelo, ya que todas las ruedas generan fuerzas con vectores de igual módulo y paralelos en todo momento.

En la figura se puede apreciar la complejidad mecánica que requiere una configuración de este tipo. Es por el que se descarte para nuestra aplicación.

Figura 1. 5.- Mecánica necesaria para diseñar una configuración sincronizada.

1.5 Configuración omnidireccional

Se trata de dotar al  robot con  ruedas omnidireccionales.  El  precio  de estas ruedas hace prohibitivo  su  uso  en  nuestro  proyecto.  Además,  suponen  una  enorme  complicación  en  el cálculo de la odometría.

Figura 1. 6.- a. Rueda omnidireccional.      b. Ejemplo de configuración omnidireccional.

1.6 Vehículos con múltiples grados de libertad

Este tipo de configuraciones se plantean para mejorar la movilidad del vehículo. Suelen ser robots articulados donde  cada  una  de  las articulaciones consiste  en  módulos con  tracción diferencial. 

1.7 Tracción mediante orugas

Se trata de sustituir las ruedas por orugas. Es un caso particular de la tracción  diferencial.

Sin  embargo,  en  esta configuración  el  deslizamiento  en  los giros es muy grande,  perdiéndose bastante precisión en el cálculo odométrico. Se emplea en casos en los que el terreno presente irregularidades. Por estas dos razones, descartamos el uso de orugas para nuestro robot.