MODUR: A Modular Dual-reconfigurable Robot

Resumen Técnico: MODUR – Un Robot Dual-Reconfigurable Modular

Planteamiento del Problema
Los sistemas de Robots Auto-Reconfigurables Modulares (MSRR, por sus siglas en inglés) ofrecen una mayor adaptabilidad y robustez al alterar las relaciones topológicas entre módulos. Sin embargo, las arquitecturas MSRR existentes, como los sistemas basados en redes esféricas o cúbicas (por ejemplo, Roombot, SMORES), sufren de dos limitaciones primarias:

1. Movimiento de Conectores Acoplado: En muchos diseños, los conectores están agrupados de tal manera que el movimiento de un módulo hijo acopla mecánicamente y restringe el movimiento de los módulos hijos adyacentes.
2. Migración Limitada de Posición Adyacente: Los módulos actuales a menudo carecen de la capacidad de transportar fácilmente los módulos hijos a posiciones topológicas adyacentes (por ejemplo, mover un módulo hijo de un padre a un hermano o abuelo) sin secuencias de desmontaje complejas.

Estas restricciones dificultan la reconfiguración autónoma continua en 3D y limitan la versatilidad operativa del sistema robótico.

Metodología
El artículo propone MODUR, un nuevo MSRR que integra el concepto de Mecanismos Reconfigurables (RM) directamente en el diseño del módulo. La metodología central consiste en:

• Arquitectura Mecánica: El módulo MODUR está diseñado como un Mecanismo Paralelo Reconfigurable Esférico (SRPM). Consiste en cuatro conectores hermafroditas (que actúan como vértices) y seis Grupos de Varillaje de Tijera (SLGs) dispuestos a lo largo de las aristas de un tetraedro.

  • Conectores: Presentan un diseño sin género y compacto (33 mm de diámetro) que combina el pre-alineamiento magnético con un mecanismo de enganche de tornillo para un bloqueo rígido.
  • Actuación: Los SLGs funcionan como un mecanismo de Centro de Movimiento Remoto (RCM) de seis barras, actuando como pares prismáticos (P). Son accionados por motores de tornillo sin fin, lo que permite que los conectores se expandan dentro de un rango de 60° a 180°.
  • Dual-Reconfigurabilidad: El sistema permite la reconfiguración de alto nivel (cambiar las conexiones topológicas entre módulos) y la reconfiguración de bajo nivel (cambiar la propia forma del módulo mediante la actuación de los SLG).

• Modelado Cinemático y Análisis del Espacio de Trabajo:

  • Se estableció un modelo cinemático tratando el módulo como una esfera con cuatro puntos (un punto de entrada, tres de salida).
  • El espacio de trabajo de los conectores de salida se analizó exhaustivamente bajo tres restricciones: límites angulares (60°–180°), interferencia de los SLG en los conectores y no intersección de los SLG opuestos.
  • El análisis reveló que, cuando los conectores adyacentes no están conectados, un solo conector puede acceder aproximadamente al 35.4% del área de la superficie de la esfera, facilitando una movilidad significativa.

• Planificación de Movimiento: Se definieron dos movimientos básicos basados en el análisis del espacio de trabajo:

  1. Rotación: Cambiar la orientación de un módulo hijo respecto al padre sin desconectarse.
  2. Transición: Mover un módulo hijo de un padre a otro (o a una posición adyacente) coordinando la expansión/contracción de los SLG y el bloqueo/desbloqueo de los conectores.

• Estrategia de Control:

  • El prototipo utiliza 12 motores (6 para el bloqueo de conectores, 6 para la actuación de los SLG), creando un sistema de actuación redundante (6 motores para 5 grados de libertad).
  • Se desarrolló un método de control PID de Aproximación Jerárquica (HAPID) para gestionar las fuerzas redundantes, evitando singularidades y minimizando los conflictos de fuerza interna causados por errores de ángulo de despliegue.
  • El control se divide en "control local" (manipulación de un solo conector para velocidad) y "control global" (manipulación coordinada para precisión).

Contribuciones Clave

1. Diseño Novel de MSRR: Introducción de MODUR, que desacopla el movimiento de los módulos hijos, permitiendo el movimiento independiente y superando las limitaciones de movimiento acoplado de los MSRR previos.
2. Migración de Posición Adyacente: El diseño permite a los módulos transportar módulos hijos a posiciones topológicas adyacentes mediante la reconfiguración de su forma, una capacidad difícil de lograr en sistemas basados en redes.
3. Análisis del Espacio de Trabajo: Un análisis teórico del espacio de trabajo del conector considerando restricciones interdependientes, proporcionando la base para definir primitivas de movimiento básicas (rotación y transición).
4. Validación Experimental: Implementación exitosa de hardware y pruebas de un prototipo funcional, validando el modelo cinemático, la estrategia de control y las capacidades de reconfiguración.

Resultos

• Implementación del Prototipo: Se construyó un prototipo impreso en 3D (PLA) utilizando un Arduino Mega2560, 12 motores con engranajes N20 y sensores de ángulo AS5600.
• Seguimiento de Trayectoria: Experimentos de seguimiento de una trayectoria helicoidal demostraron que la actuación redundante con control HAPID mantiene las desviaciones de posición dentro de aproximadamente 1°.
• Verificación de Redundancia: Experimentos comparativos mostraron que el sistema de accionamiento redundante supera significamente a las configuraciones no redundantes, las cuales sufrían de inclinación inducida por la gravedad y posiciones finales inexactas.
• Reconfiguración 3D: Experimentos físicos demostraron con éxito el movimiento de "Transición", donde un módulo (MC) se movió de un padre (MP) a un nuevo objetivo (MR), formando una conexión triangular y luego desconectándose del padre original.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que MODUR representa un paso significativo en el diseño de MSRR al cerrar la brecha entre la robótica modular y los mecanismos reconfigurables. Al desacoplar los movimientos de los conectores y permitir la migración de posición adyacente, MODUR sienta las bases teóricas y prácticas para la reconfiguración autónoma continua en 3D. Los autores afirman que esta capacidad es la "piedra angular" para la creación de sistemas robóticos más versátiles capaces de realizar tareas complejas en entornos variados.

Los autores mantienen la modestia respecto a las limitaciones actuales, señalando que el prototipo depende de energía externa y electrónica descentralizada debido a desafíos de integración. El trabajo futuro se identifica centrándose en la integración electrónica compacta, la exploración de tareas de manipulación multi-módulo (por ejemplo, agarre) y el desarrollo de un marco de planificación de movimiento específicamente para la reconfiguración 3D.