P04 — Autonomía de un robot de vigilancia: ruedas o patas

Una empresa quiere un robot de vigilancia que recorra 5 km por turno en un parqueadero de concreto. Tiene una batería de 400 Wh, de la que solo se usa el 80 % para no dañarla. Datos:

• Un robot de ruedas gasta 20 Wh/km en concreto liso.
• En superficies planas y duras, las ruedas son entre 1 y 2 órdenes de magnitud (10 a 100 veces) más eficientes que las patas.
• En pasto o grava, la fricción de rodadura hace que el robot de ruedas gaste 4 veces más energía por kilómetro que en concreto.

1. Calcule cuántos kilómetros puede recorrer el robot de ruedas con una carga. ¿Cumple el turno?
2. Calcule el rango de kilómetros que recorrería un robot de patas con la misma batería en el concreto. ¿Cumple el turno en el mejor caso?
3. La empresa amplía la ruta: ahora los 5 km son sobre pasto y grava. ¿El robot de ruedas cumple el turno? ¿Cuántas veces tendría que recargarse?
4. Además de la eficiencia, el diseño de la locomoción considera la estabilidad (número de puntos de contacto y posición del centro de gravedad), las características del contacto (fricción, ángulo de contacto, tracción) y el tipo de entorno (plano o irregular, interior o exterior). Si la ruta incluyera además subir tres escalones hasta una caseta, ¿qué tipo de plataforma propondría? Justifique con al menos dos de estas consideraciones.

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1. Energía útil: $0.80 \times 400 = 320$ Wh. Distancia: $320/20 = 16$ km. Sí cumple, y le sobran 11 km.
2. Las patas gastan entre $10 \times 20 = 200$ y $100 \times 20 = 2000$ Wh/km. Distancia: entre $320/2000 = 0.16$ km y $320/200 = 1.6$ km. No cumple ni en el mejor caso: le faltan al menos 3.4 km.
3. En pasto o grava gasta $4 \times 20 = 80$ Wh/km, y la distancia es $320/80 = 4$ km. No alcanza: necesita una recarga a mitad del turno, después de 4 km, para hacer el kilómetro que falta.
4. Una plataforma híbrida (ruedas con patas o con orugas que se levantan) o un robot de patas con ruedas. Por entorno, la mayor parte de la ruta es plana y ahí conviene la eficiencia de la rueda, pero los escalones son un obstáculo que una rueda de tamaño normal no supera. Por contacto, en escalones se necesita apoyarse sobre el borde y luego sobre la huella, algo que hace una pata. Por estabilidad, al subir el centro de gravedad se desplaza hacia atrás, y una plataforma con varios puntos de contacto ajustables lo mantiene dentro del área de apoyo. Así se conserva casi toda la autonomía de la rueda y se gana la capacidad de subir.