Robótica aérea de manipulación para inspección y mantenimiento
Por Aníbal Ollero, profesor emérito en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla
Aníbal Ollero es profesor emérito en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla. Su área de conocimiento es la Ingeniería de Sistemas y Automática y es director del GRVC Robotics Lab de la US, que, junto con CATEC, tiene un papel de liderazgo internacional en robótica aérea en general y en manipulación robótica aérea en particular. Sobre robótica aérea nos habla en el siguiente artículo en el que presenta los últimos desarrollos y nos explica algunos proyectos comunitarios que ha coordinado.
[El siguiente artículo fue publicado originalmente en el anuario INSIGHT 2022]
El desarrollo de tecnologías relacionadas con los vehículos aéreos no tripulados y la robótica aérea ha crecido de forma muy importante en los últimos años, contemplándose una gran cantidad de aplicaciones en filmaciones, vigilancia, transporte y gestión de la respuesta ante desastres, como se contempló en los proyectos del Programa Marco de la Comisión Europea FP5 COMETS (2002-2005) y AWARE (2006-2009), ambos coordinados por el autor del artículo. Desde el punto de vista industrial, cabe mencionar la inspección y el mantenimiento de plantas industriales e infraestructuras, además de la logística.
Los robots aéreos incorporan funciones inteligentes como la colocación cuando la señal de posicionamiento por satélite no se reciba o esté degradada, en cuyo caso pueden aplicarse técnicas de localización y realización de mapas simultáneas (Simultaneous Localization and Mapping o SLAM), así como funciones de detección y evitación de obstáculos, y el reconocimiento y seguimiento de objetos o personas, todas ellas conocidas en robótica.
En este contexto, desde hace más de diez años, se desarrollan los robots manipuladores aéreos. Se trata de robots aéreos con interacción física con el entorno, que pueden desarrollar tareas de manipulación robótica en vuelo, con uno o dos brazos, generalizando la manipulación con base móvil en el suelo (ver Foto 1). Estos manipuladores pueden emplearse para la realización de trabajos en altura, evitando el riesgo de los operadores humanos. En el proyecto FP7 del Programa Marco ARCAS (2011-2016) de la Comisión Europea, coordinado por el autor del artículo, se desarrollaron los fundamentos de la robótica aérea de manipulación.
El GRVC Robotics Lab de la Universidad de Sevilla, conjuntamente con el CATEC, tiene un papel de liderazgo internacional en robótica aérea en general, y en manipulación robótica aérea en particular.
Entre los problemas que plantea la manipulación robótica aérea cabe mencionar la compensación del movimiento del centro de masas debido al movimiento del brazo, y la compensación de fuerzas y pares generados en la interacción física con el entorno. Para ello pueden aplicarse técnicas de control desacoplado de la plataforma aérea y del brazo, en las cuales el efecto del movimiento del brazo se considera como una perturbación en la plataforma, o bien se emplean las medidas en las articulaciones del brazo para dicha compensación, o, alternativamente, se realiza un control integrado de todos los grados de libertad de la plataforma aérea y el brazo.
“Los robots manipuladores aéreos pueden emplearse para la realización de trabajos en altura, evitando el riesgo para los operadores humanos”
Se trata también de contemplar la percepción del entorno para el control de movimientos, por ejemplo, para el seguimiento visual (visual servoing), agarre, suelta y manipulación de objetos. Adicionalmente, se aplican técnicas de planificación de tareas y movimientos de la plataforma aérea y del brazo. Asimismo, se contempla la cooperación de múltiples robots aéreos para transportar e instalar grandes objetos. Conviene también tener en cuenta que la manipulación aérea se realiza próxima a superficies que provocan efectos aerodinámicos que es necesario tener en cuenta en el control o incluso en la planificación. Estos trabajos, así como el desarrollo de robots manipuladores aéreos autónomos con dos brazos, como el que se muestra en la Foto 1, se desarrollaron en el Proyecto H2020 del Programa Marco de la Comisión Europea AEROARMS, también coordinado por el autor de este artículo, que finalizó en 2019.
Entre las aplicaciones ya implementadas cabe mencionar la inspección por contacto, sustituyendo trabajos en altura, tales como el empleo de ultrasonidos para medir el espesor de paredes de tuberías o tanques en refinerías, evitando que la corrosión llegue producir escapes que puedan dar lugar a explosiones. Empleando el robot AEROX de la Foto 2, desarrollado por CATEC en el marco de AEROARMS, el inspector, desde la estación de control en tierra, solo tiene que desplazar con un joystick el efector final con ruedas sobre la superficie que hay que inspeccionar, y el robot aéreo se mueve para seguir sus consignas obteniendo las medidas del espesor de la pared. Como resultado, el trabajo es hasta 10 veces más rápido que con procedimientos manuales y permite ahorrar más de 700.000 euros al año en el mantenimiento anual de refinerías, todo ello sin riesgo para los trabajadores. Estos resultados obtuvieron el “Global Innovation Radar Award” de la Comisión Europea en 2018.
El sistema AEROX y otros robots aéreos se han empleado también para la inspección de infraestructuras, como puentes y viaductos, incluyendo la detección de grietas, también empleando ultrasonidos (ver Foto 2.1), así como para la inspección de la deformación tomando medidas precisas de posición a lo largo del vano del puente.
“El uso de robots aéreos para inspección, como AEROX, permite ahorrar más de 700.000 euros al año en el mantenimiento de refinerías”
En la actualidad, se desarrolla el Proyecto H2020 AERIAL-CORE, también coordinado por el autor del artículo, en el que se aplican técnicas de inteligencia artificial en robótica aérea para la inspección de grandes infraestructuras, contemplándose la validación en líneas eléctricas. Se incluye tanto la inspección a grandes distancias (ver inspección de varias líneas en la Foto 3), como la de detalle y la manipulación aérea, involucrando tareas de mantenimiento en las que es necesario desarrollar fuerzas relevantes, tales como la instalación de salvapájaros, separadores de cables e instalación de estaciones de recarga de baterías empleando la energía de los conductores. Se aplican también técnicas de cambio de configuración y forma en las aeronaves de los robots aéreos con objeto de conseguir un vuelo mas eficiente a mayores distancias. AERIAL-CORE se está validando en la inspección y mantenimiento de líneas de media y alta tensión de Endesa en el espacio aéreo del Centro de Vuelos Experimentales ATLAS de FADA-CATEC, tal como se muestra en la Foto 3.
Finalmente, cabe mencionar el desarrollo de una nueva generación de robots aéreos bioinspirados en la ERC Advanced Grant GRIFFIN del autor del artículo (ver Foto 4). Son robots de ala batiente muy ligeros (menos de 1kg), que consiguen un importante ahorro de energía combinando el aleteo con el planeo, y que son más ligeros y seguros por no tener hélices. En GRIFFIN se han desarrollado los primeros robots aéreos de ala batiente completamente autónomos empleando percepción del entorno. Estos robots también pueden realizar el posado autónomo, como se muestra en la Foto 4.1, y posteriormente la manipulación.
