Nuevos sensores mejoran el control de robots voladores

Pequeños robots voladores, llamados robots del tamaño de insectos voladores (FIRs), imitan la manera en que vuelan los insectos. Tienen usos potenciales en tareas como buscar personas en emergencias, revisar fábricas y encontrar fugas de gas. Construir estos tiny robots es complicado porque tienen alas que baten, lo que hace que sea difícil medir sus movimientos debido a su mecánica complicada y al flujo de aire. Para mejorar su diseño y control, es esencial saber cómo las señales de entrada (como el voltaje) se relacionan con los movimientos que generan (como el torque).

#El Desafío de Medir Movimientos Pequeños

Medir los movimientos pequeños de los FIRs no es fácil. Los sensores de torque más pequeños disponibles son demasiado potentes para estos robots chicos, ya que funcionan muy por encima del rango necesario. Otras opciones, como los sensores de torque capacitivos, pueden ser caros y no fueron diseñados para estos robots diminutos. Para solucionar esto, se desarrolló un nuevo tipo de sensor. Es lo suficientemente sensible como para detectar movimientos pequeños, utilizando sistemas de captura de movimiento o acelerómetros que muchos equipos de robótica ya usan.

#Nuevo Diseño del Dispositivo

El nuevo diseño del sensor es una mejora sobre versiones anteriores. Puede medir dos tipos de movimientos, roll y pitch, al mismo tiempo. El dispositivo de medición lo hace posible analizar cómo responden los FIRs a los cambios en sus Señales de Control al observar sus rotaciones y fuerzas. Este nuevo sensor está construido alrededor del robot y cuenta con componentes especiales que lo mantienen estable mientras mide las fuerzas pequeñas que actúan sobre el robot.

#Características Clave del Dispositivo

El dispositivo se basa en diseños anteriores permitiendo que el robot rote en dos ejes que se cruzan en el centro de masa del robot. Esto significa que el Empuje de las alas no causará perturbaciones durante la medición. El dispositivo también cuenta con un contenedor de glicerina para reducir movimientos no deseados y oscilaciones. Además, está equipado con una balanza de precisión para pesar la fuerza generada por el robot mientras toma mediciones.

#Alineando el Robot para la Medición

Antes de recopilar datos, el robot debe estar posicionado correctamente en el dispositivo. Este paso es importante para asegurarse de que el centro de rotación se alinee correctamente con los ejes de medición. Una vez que el robot está en su lugar, se envían varias señales de control y se miden los ángulos de rotación en condiciones estables. Estos datos ayudarán a crear un mapeo de cómo las señales de entrada se relacionan con los movimientos de salida.

#Trabajo Experimental con el Robot

En las pruebas, se utilizó un robot pequeño específico, el UW Robofly. Este robot pesa 180 mg y bate sus alas rápidamente, a una tasa de 180 veces por segundo. Los experimentos buscaban aprender cómo diferentes señales de control afectan la capacidad del robot para generar empuje y torque, que son vitales para su vuelo.

#Preparándose para los Experimentos

Para preparar al robot, primero se puso a prueba en vuelo libre para encontrar las mejores configuraciones de control que le permiten despegar en línea recta sin rodar o inclinarse de forma no intencionada. Después de estas pruebas iniciales, el robot se colocó en el nuevo dispositivo de medición. Se aplicaron diferentes combinaciones de voltajes y se registraron los ángulos de rotación resultantes. Esto proporcionó un rango de datos necesario para un análisis posterior.

#Mapeando las Entradas de Control a los Movimientos

Durante los experimentos, se probaron varios voltajes. Los hallazgos revelaron cómo los voltajes de entrada para los torques de pitch y roll se traducen en movimientos reales en el robot. Al analizar los datos recopilados, fue posible crear una relación clara entre las señales de control enviadas y los movimientos resultantes producidos por el robot.

#Mediciones de Torque de Pitch y Roll

Los datos mostraron que los voltajes necesarios para generar torque de pitch y roll pueden graficarse entre sí, demostrando patrones consistentes. Cuanto más cambiaban los voltajes de entrada, mayor era la respuesta observada del robot. Esta consistencia es crucial para desarrollar mejores sistemas de control para los FIRs en el futuro.

#Efectos del Acoplamiento de Cross-Torque

Un hallazgo importante durante las pruebas fue que los movimientos de roll y pitch del robot son principalmente independientes. La investigación mostró que aplicar un torque en una dirección no afectó significativamente el torque en la otra dirección. Esta observación apoya la idea de que los FIRs deben controlarse como si sus movimientos pudieran ajustarse por separado, lo que puede simplificar el diseño de controladores de vuelo para estos robots.

#Midiendo el Empuje

Después de establecer los mapeos de torque, también se midieron los niveles de empuje usando el dispositivo. Los resultados indicaron que aunque hubo variaciones en el empuje basado en las señales de entrada, las diferencias fueron relativamente pequeñas. Este hallazgo sugiere que los movimientos de los robots pueden predecirse con un grado razonable de precisión basado solo en las señales de control.

#Verificando los Resultados

Para asegurar la fiabilidad de los datos recopilados, se sometió al robot a diferentes pruebas. Se le dieron varias señales de entrada y se midieron el empuje, el pitch y los movimientos de roll en consecuencia. La salida del dispositivo se comparó con los resultados de experimentos en vuelo libre, permitiendo a los investigadores confirmar que sus mediciones eran precisas.

#Conclusión

Este trabajo introduce un nuevo método para medir cómo responden los pequeños robots voladores a las señales de entrada. El dispositivo diseñado para este propósito permite un mejor mapeo de los voltajes a los movimientos, lo cual es crucial para mejorar el diseño de estos robots. Al confirmar que los movimientos de roll y pitch son mayormente independientes, esta investigación abre nuevas avenidas para crear controladores de vuelo más efectivos.

En el futuro, el dispositivo podría adaptarse aún más para facilitar su uso, posiblemente integrando acelerómetros directamente en el sistema. Aunque las vibraciones de las alas al batir actualmente crean ruido que complica las mediciones, abordar este problema podría llevar a una recolección de datos aún más precisa. En última instancia, esta investigación representa un paso significativo hacia desbloquear todo el potencial de los robots del tamaño de insectos voladores en una variedad de aplicaciones prácticas.