Robótica Espacial: Curiosity, El Robot Marciano Más Complejo De La Historia

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ROBOTS MÓVILES EN TERRENOS ÁSPEROS: Introducción-1.1 Planteamiento y Motivación del Problema

Robots móviles son cada vez más empleados en todo terreno, al aire libre para el uso como la silvicultura, la minería, búsqueda y rescate, y la inspección de sitios peligrosos. Estas aplicaciones requieren a menudo que los robots viajen a través terrenos ásperos no preparados, para inspeccionar un lugar o transportar materiales. En los lugares al aire libre, la movilidad de un robot está fuertemente influenciada por la geometría y las propiedades físicas del terreno.

Por ejemplo, un robot que atraviesa la arena suelta, inclinada podría experimentar el deslizamiento sustancial de las ruedas y poca movilidad, mientras que un robot recorriendo un terreno arcillo plano y firme podría experimentar una excelente movilidad. La operación al aire libre también a menudo requiere que los robots se basen en los sensores de a bordo (por ejemplo, telémetros y unidades de medida inercial) para la navegación y control. Estos sensores generalmente contienen una notable incertidumbre y error en sus mediciones. Por último el uso al aire libre a menudo requiere que los robots funcionen de forma autónoma, que requieren la toma de decisiones en tiempo real que se ve limitada por la escasez de recursos de cómputo a bordo. Los efectos combinados de las variaciones de las condiciones del terreno áspero, la incertidumbre de medición y error de los sensores y la computación limitada crea problemas cambiantes en la planeación y control del movimiento en terreno áspero.


Una aplicación importante para los robots móviles es la exploración planetaria (Hayati et al 1996;. Schenker et al 1997;. Weisbin et al 1999). En 1997 y 2004, pequeños robots con ruedas ("rovers") aterrizaron en la superficie de Marte para realizar experimentos científicos que se centraron en la comprensión de la historia, el clima, la geología de la superficie, y el potencial de vida pasada o presente del planeta. De éstos rovers de la NASA / JPL se esperaba que accedieran a terrenos colmados de rocas e inclinados, y así llegar a sitios de interés científico. El rover Sojourner de 1997 limitó su travesía a distancias relativamente cortas (es decir, a pocos metros) a través de terrenos planos y rocosos bajo la supervisión cercana humana (véase Fi. 1.1.).




Los Rovers de Exploración de Marte 2004 realizaron una travesía a una distancia mas larga a través de un terreno suelto, con pendiente, con alguna operación autónoma. En general, estos vehículos fueron diseñados para operar en un terreno moderadamente áspero bajo la guía cercana por los operadores humanos.







Las metas para las misiones de exploración futura de Marte son altamente ambiciosas desde una perspectiva de la movilidad robótica (Volpe 2003). Se espera que los objetivos científicos sean enfocados en la exploración de las características geográficas que fueron formadas posiblemente por el agua. (Carr 1996). Esto incluye áreas tales como: barrancos, canales de flujo y regiones hidrotérmicas. Estas áreas son frecuentemente ásperas e inclinadas, con distribución densa de rocas y material arrastrado que presenta varios cambios para la capacidad de movilidad de los rovers. (Bernard and Golombek 2001). En tales ambientes, un rover podría experimentar severos deslizamientos o hundimiento de las ruedas o chocar con una gran roca que podría llevarlo a la trampa.


Para lograr estos ambiciosos objetivos, los diseños robots futuros podrían evolucionar de los diseños tradicionales "de configuración fija" a aquellos con suspensiones activamente articuladas (Schenker et al. 2000). Los robots con suspensiones articuladas pueden mejorar la movilidad en terreno áspero, modificando su configuración de suspensión y por lo tanto el reposicionamiento de su centro de masa. Esto permite acceder a regiones de terrenos cambiantes que son posibles de otra manera con alto grado de estabilidad. Aunque estos diseños de suspensión avanzada darán mejoría a la movilidad en terrenos ásperos, los factores dominantes en la movilidad del robot permanecen en las propiedades físicas y la geometría del terreno. Así, los diseños de robots avanzados deben ir acompañados por los algoritmos de control y planeación que consideren específicamente la interacción del robot con el terreno.


La mayoría de los algoritmos de control y planeación del movimiento de los robots móviles actuales no se adaptan bien a los ambientes de terrenos ásperos, ya que generalmente no tienen en cuenta la interacción física del robot y el terreno. Esto es probablemente debido al hecho de que los parámetros del terreno son difíciles de medir directamente. Además, los algoritmos de planificación y control en curso a menudo asumen que el robot tiene perfecto conocimiento sensorial del medio ambiente, lo cual nunca es el caso de estas aplicaciones. No tomar en cuenta la interacción del robot-terreno y la incertidumbre del sensor puede conducir al fallo del sistema debido a la pérdida de la movilidad o atrapamiento del obsbtáculo. Por otra parte, el robot puede mostrar un comportamiento innecesariamente conservador. Esto podría limitar la capacidad de los robots para realizar tareas de valor, como alcanzar objetivos científicos que puedan estar ubicados en terrenos difíciles.


En resumen, los robots móviles que operan en terrenos accidentados deben entender las propiedades físicas del terreno que atraviesan, y dar cuenta de la incertidumbre inherente a sus sistemas de detección. Estos robots pueden tener diseños "tradicionales" o suspensiones activamente articuladas. Ellos deben ser capaces de realizar las tareas previstas con cierto grado de autonomía, al tiempo que garantiza la seguridad del robot.