ROCR: Robot ligero y eficiente que trepa paredes como un gibón

Con un par de garras en forma de gancho, una cola accionada por motor que se balancea como el péndulo de un reloj de abuelo, y una estructura ligera, el robot ROCR («rocker») asciende una pared alfombrada de 8 pies en poco más de 15 segundos. Primer robot diseñado para trepar eficientemente emulando el movimiento de escaladores humanos y simios arborícolas, ROCR ofrece una plataforma prometedora para tareas de inspección, mantenimiento y vigilancia.

«Aunque las aplicaciones finales de ROCR serán en inspección, mantenimiento y vigilancia, su mayor impacto inmediato radica como herramienta didáctica y demostración convincente de robótica», dice William Provancher, Profesor Asistente de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Utah y desarrollador principal del proyecto.

Los hallazgos del equipo aparecerán en línea este mes en Transactions on Mechatronics, revista conjunta de IEEE y ASME. El artículo, titulado «ROCR Oscillating Climbing Robot», establece el primer punto de referencia para la eficiencia de robots trepadores, proporcionando una referencia para diseños futuros.

Por qué importa la eficiencia

La mayoría de robots trepadores hasta la fecha priorizan la estabilidad sobre la eficiencia, asegurando que no caigan mientras buscan velocidad o adherencia. ROCR, sin embargo, es el primero en centrarse en la eficiencia energética, alcanzando una eficiencia de trepa del 20 % —una cifra notable comparada con el ~25 % de eficiencia del motor de combustión interna de un coche.

Aquí la eficiencia se define como la relación entre el trabajo mecánico realizado durante el ascenso y la energía eléctrica extraída de la batería del robot. Optimizando el tiempo y la amplitud del balanceo de su cola, ROCR equilibra consumo de energía y velocidad de ascenso.

Aspectos destacados del diseño

• Dimensiones: 31 cm ancho × 45,7 cm largo (arriba a abajo)
• Peso: 0,54 kg
• Separación de garras: 12,4 cm
• Amplitud de balanceo de cola: 120° (60° a cada lado de la vertical)
• Frecuencia óptima de balanceo: 1,125 Hz (1,125 veces por segundo)
• Velocidad de ascenso: 15,7 cm/s en contrachapado alfombrado

La cola del robot es impulsada por un pequeño motor que acciona un engranaje, haciendo que la cola oscile. Una batería montada en la base de la cola proporciona la masa necesaria para el movimiento tipo péndulo. Las dos garras de acero en forma de gancho agarran la pared alternadamente, desplazando su centro de gravedad para elevar la garra libre para el siguiente agarre.

Pruebas y resultados

Antes de construir el prototipo, el equipo empleó simulaciones por computadora para identificar las estrategias de trepa más eficientes energéticamente. Los ensayos experimentales validaron estos hallazgos: el robot funcionó mejor operando cerca de su frecuencia resonante natural, similar a cómo el péndulo de un reloj de abuelo se balancea más eficientemente en su frecuencia inherente.

Cuando la cola se balanceaba demasiado rápido (dos veces por segundo), el robot perdía contacto con la pared y era detenido por un cable de seguridad. A la frecuencia óptima de 1,125 Hz, ROCR alcanzó una tasa de eficiencia del 20 % y mantuvo un ascenso estable sin caerse.

Direcciones futuras

Provancher y colaboradores planean mejorar el diseño de ROCR añadiendo mecanismos de agarre más sofisticados para manejar una gama más amplia de superficies —incluyendo ladrillo, arenisca y otros materiales industriales. También buscan desarrollar algoritmos de control más avanzados que mejoren aún más la eficiencia y versatilidad de tareas.

Al extender la vida de la batería mediante mayor eficiencia, ROCR podría emprender misiones más largas en operaciones autónomas y auto-contenidas —expandiendo su utilidad para tareas reales de inspección, mantenimiento y vigilancia.

El desarrollo de ROCR fue financiado por la National Science Foundation y la Universidad de Utah. El equipo de investigación incluye a Mark Fehlberg, candidato a doctorado en ingeniería mecánica, y Samuel Jensen‑Segal, ex estudiante de máster en Utah que ahora trabaja como ingeniero en New Hampshire.

El Robot Trepador Oscilante ROCR, desarrollado por William Provancher y colegas en la Universidad de Utah, demuestra trepa eficiente usando dos garras en gancho, un motor y una cola estilo péndulo. Pesando solo 0,54 kg y midiendo 31 cm de ancho por 45,7 cm de largo, ROCR ofrece aplicaciones potenciales en vigilancia, inspección, mantenimiento, educación en ingeniería y como juguete atractivo.