Robótica Submarina

ROBÓTICA SUBMARINA Alma Deneb Olvera Bernal [email protected] Arianna del Carmen Rodríguez Baldo [email protected] Alberto Latas Martínez [email protected]

RESUMEN El presente trabajo expondrá el origen, evolución y estado actual de la robótica submarina en el mundo científico y de la investigación. La diversidad actual existente en modelos robóticos submarinos, así  como diseño y aplicaciones en diversos campos de la investigación científica, tecnológica y ambiental.

Palabras Claves: Robot.- Sistema electromecánico con un objetivo o meta a desarrollar. La palabra robot puede referirse tanto a mecanismos físicos como a sistemas virtuales de software. Robótica.-Se define como la ciencia y la tecnología de los robots. Se ocupa del diseño, manufactura y aplicaciones de los robots Submarino.- Capacidad de navegar bajo el agua además de por la superficie, gracias a un sistema de flotabilidad variable.

1.- INTRODUCCIÓN La investigación en Robótica Submarina se inició en 1994 con el proyecto Garbí, donde se desarrolló un robot de exploración submarina, motivado por la necesidad de los biólogos de realizar observaciones de larga duración en el fondo marino. El robot que inicialmente se diseñó para observar y recoger muestras con sus brazos, constituye actualmente una plataforma de trabajo para el estudio de estrategias de tele-operación. Los trabajos en esta área se han orientado tanto al estudio y desarrollo de sistemas de percepción como al desarrollo de tareas de cooperación entre varios robots.

Ilustración 1: Robot Garbí  El entorno submarino es otro de los ambientes hostiles y arriesgados donde un robot puede aportar importantes ventajas, evitando riesgos a los seres humanos y ampliando la operatividad de las misiones. Un robot   submarino fundamentalmente debe incorporar la capacidad de desplazarse y maniobrar en el interior del agua. Además suele incluir sistemas de cámaras de televisión, dotadas de potentes focos para tratar de observar el entorno del robot aun en condiciones de gran oscuridad o turbiedad del agua. Adicionalmente el robot incluye uno o dos brazos manipuladores que le permiten tomar muestras y manipular herramientas u objetos.

2.- APLICACIONES Algunas aplicaciones han sido las que en el pasado han motivado el mayor número de desarrollo de robots submarinos. Los tendidos de cable para comunicarse y las plataformas oceánicas para la extracción de petróleo y gas. No obstante en la actualidad hay otras aplicaciones que se benefician del uso de robots en el fondo marino. De entre ellas pueden citarse:

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La investigación oceánica ya sea en sus facetas biológicas o geológicas.

precio pequeño que hasta ahora podía proporcionar sólo un equipo simple.

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Las aplicaciones de tipo militar, especialmente centradas en la vigilancia, localización y neutralización o en su caso recuperación de minas o armamento hundido.

Esto se hizo posible con el uso de partes y piezas normales en la industria y debido a la compatibilidad de muchos módulos de  vehículos. Son  compactos, pueden transportarse en un automóvil y pueden operarse por 1-2 personas. Esto da la posibilidad de operar  el SPY desde un bote con un generador.

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Localización y rescate de barcos y aviones hundidos.

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La inspección y reparación de buques o de construcciones con estructura sumergida (presas, puentes, etc.)

La investigación del fondo del océano precisa de robots con capacidad para sumergirse a profundidades destacables. Además de cámaras de televisión que permiten observar al fondo marino, estos robots pueden contar con otros instrumentos como termómetros, medidores de presión o equipos de medida de las corrientes marinas. También es frecuente la inclusión de brazos manipuladores tele operados para facilitar tareas como la toma de muestras.

3.- TIPOS DE ROBOTS El robot Víctor 6000 es un robot submarino desarrollado por el IFREMER (Institut Francais de Recherche pour Éxplotation de la Mer) especialmente diseñado para misiones de exploración de los fondos oceánicos hasta profundidad de 6000 metros. Se une al barco nodriza, desde  que se tele opera, mediante un cable de un alcance máximo de 8500 metros.

La construcción del marco abierta permite al personal inexperto incluso intercambiar módulos del ROV en unos minutos. La construcción modular permite adaptación rápida de un manipulador, Sonar, varias cámaras o extras, directamente. Dos motores horizontales (400 ó 600 w) y dos empujadores diagonales con 400 W cada uno garantizan la propulsión fuerte y la posibilidad de mucha carga útil durante salvamentos. Las hélices de los empujadores verticales están montadas en cada lado de la parte superior de flotabilidad,   evitando agitar al sedimento cerca del fondo. Las velocidades diferentes llevan a una maniobrabilidad excepcional y un posicionamiento preciso.

Para las misiones de localización e inspección de barcos así como de estructuras sumergidas (puentes, plataformas, etc.). En Julio de 1966, España se vio involucrada en el empleo de un robot submarino con fines militares. E l robot CURV (Cable Underwater Recovery Vehicle) fue utilizado para localizar y recuperar la bomba H hundida a pocos kilómetros de la costa de la localidad de Palomares (Almería), como consecuencia de la colisión de 2 aviones de las fuerzas aéreas de los EEUU. Tras varios intentos frustrados de realizar la localización y recuperación con submarinos tripulados, finalmente fue el CURV quien realizo el rescate, utilizando su telemanipulador. El SPY (Vehículo Remotamente Operado), un robot submarino de bajo costo, hace que la ingeniería alemana de primera clase pueda estar disponible a un

Ilustración 2: Robot SPY De igual manera  como ocurre en otras aplicaciones. Los robots submarinos pueden operar de manera teleoperada o de manera autónoma. En el primer caso, conocido como ROV (Remoted Operated Vehicle), el robot queda permanentemente unido, mediante una serie de cables, al barco de apoyo a un mini submarino intermedio que a su vez queda unido al barco.

Estos cables permiten la transmisión de señales de control y de las medidas tomadas por los sensores dispuestos en el robot, la transmisión de la potencia electrónica para los sistemas del robot y de manera adicional, un cable que permita la recuperación del robot submarino mediante su atracción. Desde el puesto de mando remoto, el operador controla los movimientos del robot y en el caso de que los hubiera, de un manipulador, a la vez que recibe la información sensorial captada por el robot.

Ilustración 4: Robot AUV (Autonomous Underwater Vehicle)

4.- ROBÓTICA SUBMARINA EN LA ACTUALIDAD Actualmente los robots de exploración son capaces de descender a 50 metros, 100m. 150m. o incluso mayores profundidades. Ilustración 3: Robot ROV Al disponer de una transmisión de la potencia desde el barco de apoyo, el tiempo es que pueden permanecer un ROV operando es ilimitado (no se depende de una batería), sin embargo el sable utilizado origina limitaciones relacionada con el radio de alcance en el que puede operar y con el importante peso del cable, que adicionalmente, por motivo de las corrientes marinas, puede dificultar los desplazamientos que las comunicaciones efectuadas entre el robot y la base de control se pueden ver afectada de importantes retrasos debido a la longitud del cable. Los ROV, son primordialmente utilizados en las aplicaciones relacionadas con la construcción y el mantenimiento de plataformas petrolíferas en las que no es necesario un radio de alcance elevado. En la tecnología de última generación, el ROV permite realizar grabaciones e inspecciones hasta los 70 metros de profundidad ofreciendo trabajos de inspección y monitoreo submarino. Por su parte los robots submarinos autónomos, conocidos como AUV (Autonomous Underwater Vehicle) pueden desarrollar una tarea preprogramada, interactuar con su entorno, cumplir su objetivo y retornar a un hogar pre designado, sin intervención del operador. A diferencia de los ROV, no utiliza cable umbilical, precisando de un importante componente hardware y software destinada a su navegación autónoma.

Profundidades a las que es imposible descender con traje de buzo sin correr un peligro mortal debido a la toxicidad del aire a esas profundidades y a los peligros derivados de la narcosis y de los ataques de descompresión. Robots submarinos totalmente nuevos que hasta hace poco eran uso exclusivo de la investigación científica, y ahora son asequibles para cualquier aficionado al mar y a la náutica.

4.1. El uso de la robótica en la actualidad 4.1.1 Robot UT-1 Recientementee Google planea instalar un nuevo cable entre Estados Unidos y Japón, uno se pregunta pero ¿como le hacen para instalar todos esos cables de gran envergadura?, pues sencillo, algunos contratistas lo hacen mediante robots submarinos. Ha nacido un nuevo robot submarino y se llama UT1 Ultra Trencher que tiene dimensiones de 7.8 metros de largo por 7.8 metros de ancho y tiene una altura de 5.6 metros. En efecto son dimensiones de una pequeña casa pero su construcción tuvo un costo de £10 millones que en euros viene siendo unos 13 millones. El pequeños UT-1 Ultra Trencher pesa 60 toneladas (en el aire) y dentro del mar se puede desplazar de 2 a 3 nudos. Es capaz de agarrar tubos que tengan un 1 metro de diámetro, pero es funcional hasta unos 1.500 metros debajo del mar.

Este enorme robot (UT-1 Ultra Trencher) fue construido por Soil Machine Dynamics (SMD y es manejado a control remoto, lo que se considera un (ROV)(Vehículo operado a distancia).

El Odyssey IV, que ha terminado recientemente su primera misión científica, puede moverse bajo el agua (hasta una profundidad de 6.000 metros), parar en cualquier corriente de agua y corregir su posición constantemente. Asimismo, puede navegar hasta un destino previamente programado o hacer inspecciones más detalladas de la base de una plataforma petrolífera.

4.1.2.1 Resultados de la Robótica Submarina (Odyssey IV)

Ilustración 5: ROBOT UT-1 Este tipo de ROV se utiliza en las telecomunicaciones para instalar los cables submarinos que nos sirven para navegar por Internet, pero según su creadora tiene otros usos. Se convierte en el más grande por sus dimensiones.

4.1.2 Robot Odyssey IV Un grupo de ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han creado un robot submarino que puede mantenerse suspendido sobre un punto bajo el mar de igual modo que hace un helicóptero. Hasta ahora, los submarinos de este tipo tenían que pasar varias veces por un mismo sitio para realizar ciertas labores bajo el mar. Según sus creadores, esta habilidad puede ser muy útil para las empresas de exploración petrolífera o para los arqueólogos submarinos. El robot, que ha realizado ya una misión científica, puede sumergirse 6.000 metros y es dirigido desde tierra mediante un software instalado en un tablet PC. La idea del equipo de investigación es terminar desarrollando un submarino que sea totalmente autónomo durante un año. El nuevo aparato se llama Odyssey IV y es el último de una serie de pequeños y baratos submarinos dotados de inteligencia artificial desarrollados en las últimas dos décadas por el Sea Grant College del MIT. Los robots Odyssey revolucionaron la investigación submarina en los años 90 por ser económicos y tener muchas capacidades. Los primeros Odyssey tenían una limitación: sólo podían operar moviéndose, como hace cualquier pez. Esta última versión ha terminado con esta limitación.

Este verano, esta última generación de aparatos ha demostrado sus habilidades en su primera misión científica. Se trató de un estudio en el área George´s Bank en el Golfo de Maine, una zona de mucho valor pesquero del estado norteamericano de Massachusetts. En concreto, el Odyssey IV se sumergió para mapear y observar una especie de ascidia, llamada Didemnum, muy invasiva y que ha infectado las aguas de Nueva Inglaterra. Las posibilidades del nuevo submarino van más allá de simplemente ver un objeto. Ahora se puede visitar un pozo petrolífero, tomar una muestra y sacarlo a la superficie. Además, sus creadores han incorporado al Odyssey un brazo mecánico que permitirá, por ejemplo, manipular una válvula. La mayor diferencia entre este robot submarino y otros es la profundidad a la que puede descender. Como ya dijimos, el Odyssey es capaz sumergirse hasta los 6.000 metros. Otros vehículos dirigidos por control remoto pueden sumergirse el doble, pero necesitan un cable que les permita mantener una conexión con un controlador humano. Aunque el Odyssey tiene previsto empezar a probar el uso de un módem acústico para mantener por lo menos con contacto limitado con el robot (lo suficiente para darle un nueva misión o abortar un comando) una exploración en zonas realmente profundas, como hacen los vehículos por control remoto, significaría, en este caso, dejar al robot "suelto" durante horas o días. Otra de las características del submarino es que se mueve con mucha rapidez (unos dos metros por segundo) Su velocidad y su habilidad para quedarse suspendido sobre un punto concreto se han conseguido gracias a la acción combinada de unas aletas y unos propulsores instalados a ambos lados, así como en la proa y en la popa.

Aunque su diseño es impresionante, lo es casi más el modo en que es dirigido. El informático que ha desarrollado su software, Justin Eskesen, lo maneja usando un tablet PC. Mediante el programa instalado en este dispositivo, es posible acceder a un menú de misiones. El robot recibe los comandos de su misión a través de una conexión wireless Ethernet. Cuando ha terminado su misión, el Odyssey vuelve solo a la superficie.

Estos robots representan un importante complemento de las anteriores plataformas de sensores marinos. Hace diez años el IFM-GEOMAR comenzó a investigar el océano con las tecnologías disponibles en ese momento, que ahora se verán optimizadas con más de 3.000 de estos nuevos dispositivos, que proporcionarán constantemente datos desde el interior del océano, explica el profesor Torsten Kanzow, oceanógrafo del IFM-GEOMAR. Sin embargo, aún queda un problema por resolver, ya que aún no se puede controlar bien el destino de los robots. Esto ocurre porque los robots no se mueven por la fuerza de un motor, sino que planean en el agua gracias a sus pequeñas alas.

Ilustración 6: Robot Odyssey IV

5.- ULTIMAS MISIONES DE LA ROBÓTICA SUBMARINA ( FLOTAS SUBMARINAS EN EL 2010)

Los nuevos robots, diseñados por ingenieros alemanes, cumplirán su primera misión  en el Océano Atlántico. El Instituto Leibniz de Ciencias Marinas (IFMGEOMAR) ubicado en Kiel, Alemania se ha hecho con la mayor flota de robots submarinos existente en Europa. Estos instrumentos pueden explorar los océanos hasta los 1000 metros de profundidad, consumiendo tan sólo la misma energía que el foco de una bicicleta. En los próximos años, diez de estos instrumentos tomarán datos para tener más entender mejor muchos de los procesos que tiene lugar en los océanos. En la actualidad, científicos y técnicos se dedican a prepara los dispositivos para la que será su primera misión en el Atlántico tropical. A pesar de parecer mini-torpedos, servirán únicamente para propósitos pacíficos. Los robots submarinos del Leibniz Institute of Marine Sciences (IFM-GEOMAR) en Kiel, amarillos y de dos metros de longitud, cuentan con los elementos electrónicos más avanzados, como sensores y baterías de alto rendimiento. Gracias a estos instrumentos, los científicos serán capaces de realizar mediciones selectivas acerca de los océanos sin tener que meterse ellos mismos. Esto es posible ya que los robots no sólo transmiten la información en tiempo real, sino que además pueden ser localizados por los científicos mediante teléfono por satélite y ser programados con los distintos parámetros necesarios para cada nueva misión.

Se mueven en zigzag, con ciclos que les permiten movilizarse entre una profundidad máxima de 1.000 metros y la superficie del mar. Cada aparato puede llevar a cabo misiones autónomas durante semanas o incluso meses, respondiendo a las comunicaciones establecidas por satélite, en las cuales es posible indicarle un nuevo ciclo o misión. Todos los robots están equipados con aparatos que miden la temperatura, salinidad, oxígeno y clorofila, así como la turbidez del agua. El IFM-GEOMAR es el primer instituto en Europa en impulsar y adoptar esta nueva tecnología de estudio marino.

Ilustración 7: Flota de Robots al Estudio del Océano Después de varios intentos fallidos, IFM-GEOMAR fue capaz de desarrollar la flota más grande de este tipo de robots en Europa, con la colaboración de la empresa Teledyne Webb Research Inc. de los Estados Unidos como encargada de la fabricación de los dispositivos. Ya se ha realizado una exitosa misión de prueba entre agosto y octubre de 2009 en el Océano Atlántico, al sur de las Islas de Cabo Verde. Un robot efectuó mediciones a lo largo de más de 1.000 kilómetros de manera autónoma, y posteriormente fue recuperado por el buque de investigación alemán METEOR. Los

datos recogidos pueden cotejarse en la página web de IFM-GEOMAR. En la actualidad se están realizando los preparativos para la primera misión oficial, que será lanzada a mediados de marzo de 2010 a unas 60 millas náuticas al noreste de la Isla de Cabo Verde de San Vicente. La investigación se desarrollará durante dos meses, tiempo en el cual se investigarán datos físicos y biogeoquímicos del Océano Atlántico, con la colaboración del observatorio TENATSO.

6.- LA ROBOTICA SUBAMARINA EN ESPAÑA El pasado 9 de Diciembre del 2009, atravesó el primer submarino sin motor el Océano Atlántico, utilizando sólo la energía de sus baterías y aprovechando las corrientes de agua. 'Scarlet Knight' (Caballero Escarlata) llegando a España tras una odisea de 225 días, en los que ha recorrido casi 7.500 kilómetros. El planeador submarino fue recibido con todos los honores: el ministro de Fomento, José Blanco, y el responsable de la Oficina de Ciencia y Tecnología de EEUU, Jerry Miller, le esperaban en Baiona (Pontevedra) junto a decenas de científicos y técnicos. Para el Gobierno español, se trata de "un hito" en la historia de la navegación. El 'Caballero Escarlata' es el primer robot submarino no tripulado (glider, en inglés) que realiza tal proeza. España y EEUU trabajan juntos desde hace tres años en este proyecto, cuyo objetivo es recabar información para el estudio de los océanos. Durante su viaje, el submarino ha recabado datos sobre la salinidad, la temperatura y las corrientes de agua. El jefe del área de Medio Físico de Puertos del Estado, Enrique Álvarez Fanjul, subraya que estos datos permitirán a los científicos profundizar en sus estudios sobre el papel de los océanos en el cambio climático y ayudarán a diseñar infraestructuras portuarias más eficientes.

6.1 Un robot ecológico Como no podía ser de otro modo, el 'Caballero Escarlata' es un robot verde. No utiliza energía contaminante, por lo que podría servir de inspiración para desarrollar en el futuro un nuevo sistema de transporte por mar. A corto plazo, modelos parecidos podrían utilizarse de forma habitual para los estudios oceanográficos. En la actualidad hay unos 100 robots de estas características y su precio ronda los 100.000 euros.

El 'Caballero Escarlata' se mueve gracias a la energía que le proporcionan sus baterías de litio y se impulsa a través de sus aletas, lo que le permite planear y aprovechar las corrientes del océano. Durante su travesía, la velocidad media fue de 15 centímetros por segundo y sólo llegó a consumir el 60% de su carga. "La misión fue muy bien pero hubo un momento en el que las incrustaciones biológicas que se adhirieron durante el viaje le hicieron perder aerodinámica y avanzar más despacio" , explica Álvarez Fanjul. Un

buzo pudo resolver el contratiempo: limpió el robot sin necesidad de detenerlo ni de que saliera del agua. Asimismo, el submarino ha tenido que superar las derivas obligadas por las corrientes y las tormentas, como en la que se registró olas de más de nueve metros. Su rumbo se corrige cada vez que sale a la superficie, que es cuando transmite vía satélite los datos recogidos en cada una de las inmersiones. El robot desciende a profundidades de 200 metros y sube a la superficie cada 6 o 8 horas. Tras una cómoda travesía por la corriente del Golfo, comenzó el tramo más complicado para el planeador. Y es que al pasar las islas Azores se adentró en un territorio imprevisible que, afortunadamente, sorteó con éxito. No ocurrió lo mismo el año pasado. Los científicos intentaron que un submarino similar cubriera la misma ruta pero el proyecto fracasó, al parecer por una filtración de agua. Perdieron la pista del robot a la altura de las Azores, cuando ya había recorrido más de la mitad de su ruta.

6.2 Proyecto pionero La parte española de este proyecto, iniciativa de la Universidad de Rutgers (EEUU), está representada por la Universidad de las Palmas y el Ministerio de Fomento. El 'Caballero Escarlata' partió de Nueva Jersey el pasado 27 de abril. La elección de la localidad de Baiona como punto final de su trayectoria no ha sido casual. Allí fue donde llegó La Pinta en 1493 y donde se supo del Descubrimiento de América. Washington será la siguiente y última etapa de su viaje. Está previsto que el presidente estadounidense, Barack Obama, acuda al acto para recibir al planeador, que será expuesto de forma permanente en uno de los museos de la Institución Smithsonian, junto a otros vehículos que también han pasado a la historia. En Baiona, no obstante, quedará una réplica del robot para recordar la hazaña del Caballero Escarlata.

http://pcisa2.dacya.ucm.es/robotica/Trabajos_Tema1/WWW_ T1/ROBOTS%20SUBMARINOS.htm http://www.caburgua.cl/servicios/roboticasubmarina.html

Ilustración 8: El robot submarino que cruzó el Atlántico llega a Galicia

7.- CONCLUSIONES Ahora es posible observar e incluso trabajar a distancia debajo del agua sin necesidad de ser buzos profesionales. Los robots de exploración son capaces de descender a 50 metros, 100m. 150m. o incluso mayores profundidades. Profundidades a las que es imposible descender con traje de buzo sin correr un peligro mortal debido a la toxicidad del aire a esas profundidades y a los peligros derivados de la narcosis y de los ataques de descompresión. Los Robots de exploración submarina son polifacéticos y muy útiles. Capaces de descender sin oponerse para saber si el ancla está bien agarrada, localizar la cueva ideal para la pesca, descubrir los fondos submarinos, saber como desenroscar nuestro fondeo, ver el estado de la hélice, o simplemente disfrutar del paisaje submarino.

8.- REFERENCIA http://www.elmundo.es/elmundo/2009/12/09/ciencia/  1260352265.html http://robotica.foroactivo.com/bipedolandia-noticiasf15/una-flota-de-nuevos-robots-submarinosestudiara-los-oceanos-t894.html http://www.laflecha.net/canales/ciencia/noticias/2004 11154