Robots especializados que pueden volar y Conduce típicamente aterriza la tierra antes de intentar transformarse y alejarse. Pero cuando el terreno de aterrizaje es difícil, estos robots a veces se atascan y no pueden continuar operando. Ahora, un equipo de ingenieros de Caltech ha desarrollado un transformador de la vida real que tiene los «cerebros» para transformarse en el aire, lo que permite que el robot Dronelike salga suavemente y comience sus operaciones de tierra sin pausa. La mayor agilidad y robustez de tales robots podría ser particularmente útil para los sistemas de entrega comerciales y los exploradores robóticos.
El nuevo robot, denominado ATMO (Morfobot de transformación aérea), usa cuatro propulsores para volar, pero las cubiertas que los protegen se convierten en las ruedas del sistema en una configuración de conducción alternativa. Toda la transformación se basa en un solo motor para mover una junta central que eleva a los propulsores de ATMO al modo de drones o hacia abajo en el modo de accionamiento.
Los investigadores describen el robot y el sofisticado sistema de control que lo impulsa en un artículo publicado recientemente en la revista Ingeniería de comunicaciones.
«Diseñamos y construimos un nuevo sistema robótico inspirado en la naturaleza, por la forma en que los animales pueden usar sus cuerpos de diferentes maneras para lograr diferentes tipos de locomoción», dice Ioannis Mandralis (MS ’22), un estudiante graduado en Aeroespace en Caltech y autor principal del nuevo artículo. Por ejemplo, dice, las aves vuelan y luego cambian la morfología de su cuerpo para retrasarse y evitar obstáculos. «Tener la capacidad de transformar en el aire desbloquea muchas posibilidades para mejorar la autonomía y la robustez», dice Mandralis.
Pero la transformación en el aire también plantea desafíos. Las fuerzas aerodinámicas complejas entran en juego tanto porque el robot está cerca del suelo como porque está cambiando su forma a medida que se transforma.
«Even though it seems simple when you watch a bird land and then run, in reality this is a problem that the aerospace industry has been struggling to deal with for probably more than 50 years,» says Mory Gharib (PhD ’83), the Hans W. Liepmann Professor of Aeronautics and Medical Engineering, director and Booth-Kresa Leadership Chair of Caltech’s Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST), and director of the Graduate Aerospace Laboratorios del Instituto de Tecnología de California (GALCIT). Todos los vehículos voladores experimentan fuerzas complicadas cerca del suelo. Piense en un helicóptero, como ejemplo. A medida que llega para aterrizar, sus propulsores empujan mucho aire hacia abajo. Cuando ese aire llega al suelo, una parte de él rebota en el mismo; Si el helicóptero llega demasiado rápido, puede ser absorbido por un vórtice formado por el aire reflejado, lo que hace que el vehículo pierda su elevación.
En el caso de Atmo, el nivel de dificultad es aún mayor. El robot no solo tiene que lidiar con complejas fuerzas cercanas al suelo, sino que también tiene cuatro aviones que alteran constantemente la medida en que están disparando entre sí, creando turbulencia e inestabilidad adicionales.
Para comprender mejor estas complejas fuerzas aerodinámicas, los investigadores realizaron pruebas en el laboratorio de drones de Cast. Utilizaron lo que se llaman experimentos de células de carga para ver cómo cambiar la configuración del robot a medida que entró para aterrizar afectó su fuerza de empuje. También realizaron experimentos de visualización de humo para revelar los fenómenos subyacentes que conducen a tales cambios en la dinámica.
Luego, los investigadores alimentaron esas ideas sobre el algoritmo detrás de un nuevo sistema de control que crearon para ATMO. El sistema utiliza un método de control avanzado llamado Model Predictive Control, que funciona prediciendo continuamente cómo se comportará el sistema en el futuro cercano y ajustar sus acciones para mantenerse en curso.
«El algoritmo de control es la mayor innovación en este documento», dice Mandralis. «Los cuadrotores usan controladores particulares debido a cómo se colocan sus propulsores y cómo vuelan. Aquí presentamos un sistema dinámico que no se ha estudiado antes. Tan pronto como el robot comienza a transformarse, obtienes diferentes acoplamientos dinámicos, diferentes fuerzas que interactúan entre sí. Y el sistema de control debe poder responder rápidamente a todo eso».
