Músculos Inteligentes en Robots Biológicamente Inspirados: Modelado, Control y Actuación

Abstract

Las aleaciones metálicas que exhiben una propiedad conocida como efecto de memoria de forma, pertenecen a la clase de materiales inteligentes cuya aplicación más notable en el campo de la robótica se refleja en el uso de actuadores musculares artificiales,ó músculos inteligentes. Estos materiales tienen una estructura cristalina uniforme que cambia radicalmente en función de su temperatura de transición, causando su deformación. Se les denomina materiales inteligentes por la capacidad de recordar su configuración inicial después de recibir dicho estímulo térmico. Este artículo presenta la implementación de un actuador muscular inteligente aplicado en un micro-robot aéreo bio-inspirado tipo murciélago. Esto mamíferos voladores desarrollaron poderosos músculos que se extienden a lo largo de la estructuraósea de las alas, adquiriendo una asombrosa capacidad de maniobra gracias a la capacidad de cambiar la forma del ala durante el vuelo. Replicar este tipo de alas mórficas en un prototipo robótico requiere el análisis de nuevas tecnologías de actuación, abordando los problemas de modelado y control que garanticen la aplicabilidad de este actuador compuesto por fibras musculares de SMAs.

Sigmoid-based hysteresis modeling and high-speed tracking control of SMA-artificial muscle

“…Por esto se llevan a cabo investigaciones para tratar de emularlo y es llamado músculos artificiales. En (Colorado et al, 2011) se presenta la implementación de un actuador muscular inteligente bio inspirado en las alas de un murciélago, teniendo una tabla con el modelo fenomenológico del SMA, se observaron los principales valores y rangos que toma el material durante el proceso, con estos datos estructuraron un modelo matemático para ser aplicado en un sistema de control en lazo cerrado por modos deslizantes, que busca controlar la posición y fuerza del sistema en alta frecuencia, y que no se comprometa la eficiencia energética del sistema (Figura 7), el control de fuerza se logra en función del movimiento angular que se desea en la articulación.…”

“…Figura 7 Estrategia de Control (Colorado et al, 2011) El movimiento completo del ala comprende el aleteo del hombro y el movimiento morfológico de las alas, y se comprende en dos etapas en aleteo hacia arriba o hacia abajo.…”

Caracterización de las SMAs y sus aplicaciones: Una revisión

“…Los resortes de SMA tienen múltiples aplicaciones, incluida la actuación de juntas rígidas (Bergamasco et al, 1989), (Wen et al, 1994), que generan movimiento de flexión y extensión. Además, de las peculiaridades mencionadas anteriormente, son buenos candidatos para robots bioinspirados y biomiméticos, donde el peso ligero, las pequeñas dimensiones y la baja rigidez son esenciales (Cortez Vega et al, 2018), (Colorado et al, 2011), (Cianchetti et al, 2014), (Luna et al, 2017). Estos materiales también tienen algunas desventajas, que son importantes considerar al momento de fabricar resortes con SMA,algunas de ellas son: la temperatura, el modelar los ciclos de la termodinámica durante el enfriamiento, el tiempo de actuación y el alto consumo energético (Páez et al, 2020), (Vesga et al, 2007) (Mavroidis, 2002).…”

Operational space control of a lightweight robotic arm actuated by shape memory alloy wires: A comparative study

“…However, it was not until recent years when the term “shape memory technology” (SMT) was introduced and a wide range of SMA wires’ applications started to be developed. An example of these applications is the bioinspired micro-robots manufacturing, where SMAs are considered as a good alternative to traditional actuators, due to characteristics such as corrosion resistance, simple mechanical structure, and biocompatibility (Colorado et al, 2011; Gao et al, 2014; Khodayari et al, 2011; Shin et al, 2015). SMA wires have also been used in medical devices like intra-arterial supports (Nematzadeh and Sadrnezhaad, 2012) or wires for suturing (Nespoli et al, 2015), in orthopedic devices as a spinal cage implant (Andani et al, 2015), adaptive ankle foot orthoses (Mataee et al, 2015), or skeletal fixation devices (mandibular segmental; Moghaddam et al, 2016), as well as dental and orthodontic applications (Jafari et al, 2008; Pandis and Bourauel, 2010).…”