Bolabot

Los parámetros de diseño más fundamentales de un robot esférico son su altura, masa, centro de gravedad y el par máximo que pueden proporcionar sus actuadores. La elección de estos parámetros determina el momento de inercia del robot, el ángulo de cabeceo máximo y, por lo tanto, su rendimiento dinámico, su aceleración y su agilidad. La velocidad máxima depende de la potencia del actuador y sus características. Además del par máximo, el ángulo de cabeceo está limitado superiormente por la fuerza máxima que se puede transmitir desde los actuadores al suelo. Por consiguiente, los coeficientes de fricción de todas las partes involucradas en la transmisión de fuerza también desempeñan un papel fundamental en el diseño del sistema. Asimismo, se debe prestar especial atención a la relación entre el momento de inercia del cuerpo del robot y su bola para evitar giros indeseados de la bola, especialmente durante el giro lateral. ^{[ 32 ]}

La pelota es el elemento central de un ballbot; debe transmitir y soportar todas las fuerzas que surjan y resistir el desgaste mecánico causado por superficies de contacto rugosas. Un alto coeficiente de fricción en su superficie y una baja inercia son esenciales. El CMU Ballbot, ^{[ 8 ]} Rezero ^{[ 32 ]} y Kugle ^{[ 51 ]} utilizaron una esfera metálica hueca con recubrimiento de poliuretano. BB Rider ^{[ 27 ]} utilizó una pelota de baloncesto, mientras que BallIP ^{[ 29 ]} y Adelaide Ballbot ^{[ 40 ]} utilizaron bolas de bolos recubiertas con una fina capa de caucho.

Para resolver el problema bastante complejo de accionar una esfera, se han introducido diversos mecanismos de accionamiento. El CMU Ballbot ^{[ 8 ]} utilizó un mecanismo de accionamiento de bola de ratón inverso. A diferencia de la bola de ratón tradicional que acciona los rodillos para proporcionar entrada al ordenador, el accionamiento de bola de ratón inverso utiliza rodillos para impulsar la bola y producir movimiento. El accionamiento de bola de ratón inverso utiliza cuatro rodillos para impulsar la bola, y cada rodillo es accionado por un motor eléctrico independiente. Para lograr el movimiento de guiñada, el CMU Ballbot utiliza un rodamiento, un conjunto de anillos deslizantes y un motor separado para hacer girar el cuerpo sobre la bola. ^{[ 14 ]} El LEGO Ballbot ^{[ 38 ]} también utilizó un accionamiento de bola de ratón inverso, pero utilizó ruedas normales para impulsar la bola en lugar de rodillos.

A diferencia de CMU Ballbot ^{[ 14 ]} , tanto BallIP ^{[ 29 ]} como Rezero ^{[ 32 ]} y Kugle ^{[ 51 ]} utilizan ruedas omnidireccionales para impulsar la bola. Este mecanismo de accionamiento no requiere un mecanismo de accionamiento de guiñada separado y permite el control directo de la rotación de guiñada de la bola. A diferencia de CMU Ballbot ^{[ 14 ]} , que utiliza cuatro motores para impulsar la bola y un motor para la rotación de guiñada, BallIP ^{[ 29 ]} , Rezero ^{[ 32 ]} y Kugle ^{[ 51 ]} utilizan solo tres motores para ambas operaciones. Además, solo tienen tres puntos de transmisión de fuerza en comparación con los cuatro puntos de CMU Ballbot. Dado que el contacto entre una rueda omnidireccional y la bola debe reducirse a un solo punto, la mayoría de las ruedas omnidireccionales disponibles no son adecuadas para esta tarea debido a los espacios entre las ruedas individuales más pequeñas que dan como resultado un movimiento de rodadura inestable. Por lo tanto, el proyecto BallIP ^{[ 29 ]} introdujo una rueda omnidireccional más compleja con una línea de contacto circunferencial continua. El equipo de Rezero ^{[ 32 ]} equipó este diseño de rueda omnidireccional con rodamientos de rodillos y un recubrimiento de alta fricción. ^{[ 32 ]} También instalaron un freno mecánico de bola que presiona la bola contra los actuadores para aumentar aún más las fuerzas de fricción y una suspensión para amortiguar las vibraciones. ^{[ 32 ]} El robot Kugle está equipado con una falda que mantiene la bola en su lugar para evitar que se salga durante grandes inclinaciones. El Adelaide Ballbot ^{[ 40 ]} utiliza ruedas para su versión LEGO y ruedas omnidireccionales tradicionales para su versión a escala real.

El Prof. Masaaki Kumagai, ^{[ 3 ]} quien desarrolló BallIP ^{[ 29 ]} introdujo otro mecanismo de accionamiento de bola que utiliza rodillos parcialmente deslizantes. ^{[ 54 ] [ 55 ]} El objetivo de este diseño era desarrollar una actuación de 3 grados de libertad en la bola utilizando un mecanismo de bajo costo.

Para controlar activamente la posición y la orientación del cuerpo de un robot esférico mediante un sistema sensor-computadora-actuador, además de un microprocesador adecuado u otra unidad de computación para ejecutar los bucles de control necesarios, un robot esférico requiere fundamentalmente una serie de sensores que permitan medir la orientación de la bola y del cuerpo del robot en función del tiempo. Para realizar un seguimiento de los movimientos de la bola, se suelen utilizar codificadores rotativos (CMU Ballbot, ^{[ 8 ]} BallIP, ^{[ 29 ]} Rezero, ^{[ 32 ]} Kugle ^{[ 51 ]} ). Medir la orientación del cuerpo es más complicado y a menudo se hace mediante el uso de giroscopios (NXT Ballbots ^{[ 38 ] [ 40 ]} ) o, más generalmente, una Unidad de Medición Inercial (CMU Ballbot, ^{[ 8 ]} BallIP, ^{[ 29 ]} Rezero, ^{[ 32 ]} Kugle ^{[ 51 ]} ) que incluye un acelerómetro , un giroscopio y posiblemente un magnetómetro cuyas mediciones se fusionan en la orientación del cuerpo a través de algoritmos AHRS .

El CMU Ballbot ^{[ 8 ]} utiliza un telémetro láser Hokuyo URG-04LX para localizarse en un mapa 2D del entorno. ^{[ 22 ] [ 23 ]} También utiliza el telémetro láser para detectar obstáculos y evitarlos. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Por el contrario, el robot Kugle ^{[ 51 ]} utiliza dos LiDAR 2D SICK TiM571 para localizarse, evitar obstáculos y detectar personas para guiarse.

El CMU Ballbot ^{[ 8 ]} es el primer y, actualmente, el único ballbot con brazos. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} Tiene un par de brazos de 2 grados de libertad (DOF) accionados por actuadores elásticos en serie. Los brazos son tubos huecos de aluminio con la posibilidad de añadir contrapesos ficticios en sus extremos. En su estado actual, los brazos no pueden utilizarse para manipulaciones significativas, sino para estudiar sus efectos en la dinámica del ballbot. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

El modelo matemático MIMO que se necesita para simular un ballbot y diseñar un controlador suficiente que estabilice el sistema, es muy similar a un péndulo invertido sobre un carro . El LEGO NXT Ballbot, ^{[ 38 ]} Adelaide Ballbot, ^{[ 40 ]} Rezero ^{[ 32 ]} y Kugle ^{[ 51 ]} incluyen modelos de actuadores en sus modelos de robot, mientras que el CMU Ballbot ^{[ 8 ]} ignora los modelos de actuadores y modela el Ballbot como un cuerpo sobre una bola. Inicialmente, el CMU Ballbot ^{[ 8 ]} usó dos modelos planares 2D en planos perpendiculares para modelar el ballbot ^{[ 13 ] [ 14 ]} y actualmente, usa modelos 3D sin movimiento de guiñada tanto para el ballbot sin brazos ^{[ 18 ] [ 21 ] [ 22 ]} como para el ballbot con brazos. ^{[ 24 ]} BallIP ^{[ 29 ]} utiliza un modelo que describe la dependencia de la posición de la bola con respecto a las velocidades de las ruedas y el movimiento del cuerpo. Rezero ^{[ 32 ]} utiliza un modelo 3D completo que también incluye el movimiento de guiñada. Kugle ^{[ 51 ]} utiliza un modelo 3D basado en cuaterniones totalmente acoplado que acopla el movimiento de todos los ejes.

Los ballbots (CMU Ballbot, ^{[ 8 ]} BallIP, ^{[ 29 ]} NXT Ballbot, ^{[ 38 ]} Adelaide Ballbot, ^{[ 40 ]} Rezero ^{[ 32 ]} ) utilizan enfoques de control de retroalimentación lineal para mantener el equilibrio y lograr el movimiento. El CMU Ballbot ^{[ 8 ]} utiliza un bucle de control de equilibrio interno que mantiene el cuerpo en los ángulos corporales deseados y un controlador de bucle externo que logra los movimientos de bola deseados al ordenar los ángulos corporales al controlador de equilibrio. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 18 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 24 ]} El robot Kugle se prueba con controladores de retroalimentación lineal ( LQR ) y controladores de modo deslizante no lineal para mostrar el beneficio de su modelo de cuaternión dinámico acoplado. ^{[ 51 ]}

Un ballbot es un sistema subactuado acelerado por forma. Los ángulos de inclinación de un ballbot están, por lo tanto, vinculados dinámicamente a las aceleraciones resultantes de la pelota y el robot, lo que da como resultado un sistema subactuado. El CMU Ballbot planifica movimientos en el espacio de ángulos de inclinación del cuerpo para lograr movimientos de la pelota rápidos, dinámicos y elegantes. ^{[ 18 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 24 ]} Con la introducción de brazos, el CMU Ballbot utiliza su procedimiento de planificación para planificar en el espacio de ángulos de inclinación del cuerpo y ángulos de los brazos para lograr los movimientos de la pelota deseados. ^{[ 22 ] [ 24 ] [ 25 ]} Además, también puede tener en cuenta casos en los que los brazos están restringidos a ciertos movimientos específicos y solo se deben usar ángulos del cuerpo para lograr los movimientos de la pelota deseados. ^{[ 26 ]} El CMU Ballbot utiliza un marco de planificación y control integrado para navegar de forma autónoma en entornos humanos. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Su planificador de movimiento planifica en el espacio de los controladores para producir una navegación fluida y realiza tareas de vigilancia y de punto a punto. Utiliza el telémetro láser para detectar y evitar activamente obstáculos estáticos y dinámicos en su entorno. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Para Kugle, se diseñó un controlador predictivo de modelo (MPC) de planificación de trayectoria para controlar los ángulos de inclinación del robot esférico y así seguir una trayectoria determinada. Se optó por una estrategia de seguimiento de trayectoria en lugar de los controladores de seguimiento de trayectoria o de referencia comunes para compensar el comportamiento temporalmente deficiente de los robots esféricos debido a su naturaleza subactuada. La trayectoria se parametriza como un polinomio y se incluye en la función de coste del MPC. Un conjunto de restricciones flexibles garantiza que se eviten los obstáculos y que el avance se realice a la velocidad deseada. ^{[ 51 ]}

La mayor preocupación con un Ballbot es su seguridad en caso de fallo del sistema. Se han realizado varios intentos para abordar esta preocupación. El CMU Ballbot ^{[ 8 ]} introdujo tres patas de aterrizaje retráctiles que permiten al robot permanecer de pie (estáticamente estable) después de apagarse. También es capaz de pasar automáticamente de este estado estáticamente estable al estado dinámicamente estable de equilibrio y viceversa. ^{[ 13 ] [ 15 ]} Rezero incorporó un mecanismo de seguridad antivuelco para evitar daños graves en caso de fallo del sistema. ^{[ 32 ]}