Diseño y simulación de un robot neumático blando con locomoción peristáltica

Este proyecto es el punto de partida de la línea de robots blandos del laboratorio. Propone un robot neumático que avanza dentro de conductos con el mecanismo de una lombriz de tierra, y lo hace con una sola línea de aire: la secuencia de inflado no la impone un banco de válvulas sino la física de varias cavidades elásticas conectadas entre sí. El trabajo desarrolla el modelo de ese comportamiento, caracteriza los materiales candidatos y deja planteada una metodología de diseño.

Contexto

La lombriz se desplaza alternando la contracción de músculos circulares y longitudinales en segmentos sucesivos, lo que produce una onda que ancla unas partes del cuerpo mientras otras avanzan. Reproducir esa onda en un robot blando normalmente exige un actuador y una válvula por segmento.

La alternativa explorada aquí se basa en un fenómeno conocido de los globos. La curva de presión contra radio de una membrana elástica no es monótona: sube hasta un máximo y luego baja. Dos globos conectados no se inflan por igual, sino que uno crece a expensas del otro. En una cadena de cavidades, ese efecto se puede aprovechar para obtener un inflado secuencial.

Diseño conceptual

Las geometrías candidatas se exploraron primero en VoxCAD, un simulador de vóxeles de bajo costo computacional que permite ensayar configuraciones antes de construir un modelo físico detallado.

Modelo de locomoción

Cada cavidad se modeló como un globo con su curva de presión-radio, conectado a los demás por orificios con una ley de descarga. Dentro del conducto, el globo deja de ser una esfera y pasa a ser un cilindro con extremos semiesféricos, lo que modifica su curva. El modelo se implementó en Simulink y entrega volumen, flujo, radio y presión de cada cavidad durante un ciclo.

Según el modelo, el robot avanzaría 124 % de su longitud por ciclo.

Para espacios abiertos se propuso además un segundo modo de locomoción por rodadura, inspirado en ciertas orugas, en el que el inflado de globos periféricos desplaza el centro de masa de un módulo y lo hace rotar.

Materiales

Se ensayaron a tensión probetas de látex natural y de una silicona comercial, y con esos datos se ajustaron modelos hiperelásticos de Mooney-Rivlin.

Con esos parámetros se simuló por elementos finitos el estado de mayor deformación de una cavidad.

El látex soporta las presiones y deformaciones del ciclo. La silicona elegida no: falla antes de alcanzar la deformación que requiere la locomoción. El trabajo recomienda una silicona más blanda, Ecoflex 00-30, que fue la que se adoptó en los proyectos siguientes.

Manufactura

Se hizo una primera aproximación a la fabricación con moldes impresos e insertos para las cavidades.

Metodología de diseño

En 2014 no existía un procedimiento establecido para diseñar un robot blando. El trabajo propone uno: elegir el patrón de locomoción, explorarlo con simulaciones baratas, construir un modelo físico simplificado, seleccionar materiales y verificar su integridad, y solo entonces definir la manufactura y el control.

Lo que falta

El resultado principal es un modelo, y no fue validado experimentalmente. El avance de 124 % por ciclo no es una medición. Las curvas de presión-radio se construyeron con parámetros de la literatura y con los ensayos uniaxiales, sin una caracterización de inflado de las cavidades reales. Los trabajos posteriores mostraron que esa diferencia importa: el robot fabricado no se desinfla en el orden que predice el modelo.

Relación con Robiolab

Este es el origen de una serie de tres proyectos: aquí el diseño y el modelo, después la manufactura y luego el control. También es un ejemplo temprano de una idea central para el laboratorio: trasladar parte del control al cuerpo del robot, de modo que la secuencia de movimiento esté determinada por la mecánica del material y no por la electrónica.