Construye un robot mini sumo: tracción, cuña y borde

Qué vas a construir

Dos robots, un ring y ningún sensor apuntando a nada excepto al rival y al suelo. El que permanezca dentro al final gana.

Es el objetivo más simple de esta web y no es el proyecto fácil que parece, porque el sumo es el único robot donde la mecánica decide el resultado y el software solo tiene que evitar arruinarlo. Casi todas las demás construcciones premian mejores algoritmos; esta premia una cuña más afilada y pegada al suelo.

Experimentar esta inversión de prioridades es formativo. Por ello, el orden de construcción propuesto dedica su primer día a la física del contacto y el último al comportamiento, que es lo contrario de como suele comenzar la mayoría.

Los tres números que deciden el combate

La fuerza de empuje es de 5.9 N, aunque tus motores podrían rendir 25 N. Un robot de 500 g con neumáticos de silicona está limitado por tracción por un factor de cuatro. La transmisión mecánica no es la restricción crítica y nunca lo será, así que construye hasta el límite de peso, sitúa cada gramo sobre las ruedas motrices y dedica el presupuesto motriz a la reducción de engranajes en vez de a potencia bruta.

Una cuña que eleva el 40% del rival te otorga 2.3 veces su fuerza de empuje. El peso que le quitas al oponente se transfiere a tu propio chasis, por lo que la relación es (1+f)/(1−f) y asciende de forma pronunciada. Ninguna otra modificación individual produce un impacto similar.

Tu velocidad máxima práctica ronda los 0.8 m/s. No porque los motores no den más de sí, sino porque 25 mm de borde blanco más 25 ms de latencia es todo el margen de frenado disponible. Muchos robots novatos están dimensionados para el doble de esa velocidad y pierden contra el perímetro exterior, no contra el oponente.

Esas tres afirmaciones resumen todo el diseño. A continuación veremos cómo materializarlas.

Lista de materiales (BOM)

El mini sumo cuenta con un reglamento formal estricto: área de 10 × 10 cm al inicio, 500 g de peso máximo, en un ring de 77 cm con un borde exterior blanco de 2.5 cm. Las reglas dictan cada componente.

Total: aproximadamente 65–90 $.

Dos consideraciones que deciden combates en vez de limitarse a funcionar:

El peso debe recaer sobre las ruedas motrices, hasta rozar el límite reglamentario. La fuerza de empuje depende de la fricción, y la fricción es el coeficiente multiplicado por la fuerza normal. Cada gramo que no descanse sobre un neumático motriz es empuje desperdiciado; por eso los robots de sumo competitivos pesan exactamente 499 o 500 g y concentran casi todo ese peso sobre dos ruedas.

Los neumáticos importan mucho más que los motores. Un robot que ha alcanzado su límite de tracción no gana nada con más par motor: las ruedas patinarán sin avanzar. Pasar de plástico duro (µ ≈ 0.4) a silicona blanda moldeada (µ ≈ 1.2 o superior) triplica la fuerza de empuje disponible por cinco dólares, algo que ninguna mejora de motor puede igualar.

Orden de construcción

1 — Decide la masa y los neumáticos en primer lugar. Establecen tu fuerza de empuje antes de que escribas una sola línea de código. Apunta a los 500 g reglamentarios, con el centro de gravedad lo más bajo posible y sobre las ruedas motrices; emplea neumáticos de silicona o poliuretano blando, no las gomas estándar de plástico que vienen con los kits genéricos. Un coeficiente µ de 1.2 frente a 0.7 representa un 72% más de empuje por el mero coste de un par de ruedas.

2 — Selecciona engranajes para par y verifica la corriente de bloqueo. El sumo opera siempre en el extremo de par de la curva del motor, a unos 0.8 m/s en la rueda en vez de los 1.5 m/s que presupone un kit escolar. Luego calcula lo que dos motores consumen en calado o bloqueo —unos 3 A combinados— y dimensiona la batería para ese pico y no para el consumo de crucero. Un asalto entero es un bloqueo sostenido.

3 — Logra que frene ante el borde, rodando en solitario. Este es el hito fundamental. Monta sensores de reflectancia en ambas esquinas delanteras, tan adelantados como sea posible sin perder la línea blanca de vista, calibrados en las condiciones reales del ring y no sobre tu mesa de trabajo. Conduce a toda velocidad hacia el borde cincuenta veces, desde todos los ángulos imaginables. Hasta que esto funcione con una fiabilidad aburrida, no tiene sentido añadir un oponente: un robot que se suicida saliéndose del ring pierde sin necesidad de que nadie lo empuje.

4 — Lee los sensores de borde en cada iteración del bucle. Cuatro quintas partes de tu distancia de reacción corresponden al tiempo de espera hasta la siguiente pasada del bucle, y una sola lectura de distancia por ultrasonidos que bloquee 20 ms supone 20 ms de ceguera en el peor instante. La temporización no bloqueante es la forma más barata de ganar velocidad de reacción.

5 — Añade la detección del oponente. Un sensor VL53L0X al frente, y opcionalmente otros dos orientados en ángulo de 45° a los lados. La estrechez del haz es determinante: un sensor de ultrasonidos en un ring detecta predominantemente las paredes de la sala o el propio suelo.

6 — Estructura el comportamiento como una máquina de estados explícita. Búsqueda, embestida, empuje y retirada, con el reflejo de detección de borde interrumpiendo cualquier otra acción con máxima prioridad. Es un ejemplo clásico para una máquina de estados finitos, puesto que la comprobación de borde debe evaluarse en cada ciclo y no debe existir ninguna ruta de ejecución que la omita.

7 — Fabrica la cuña al final y perfecciónala continuamente. Es el elemento mecánico de mayor apalancamiento competitivo y el más accesible para iterar.

El comportamiento, en un solo párrafo

Comienza con un retardo obligatorio reglamentario (la mayoría de normativas exigen cinco segundos tras pulsar inicio). Luego entra en búsqueda: rota sobre su eje o traza un pequeño arco hasta que el sensor frontal detecte un obstáculo a menos de 40 cm. Pasa a embestida directa hacia él a máxima potencia. Mantén el empuje hasta que la distancia aumente repentinamente (el rival esquivó) o detectes el borde exterior. Aplica retirada inmediata ante cualquier lectura de borde blanco: inversión completa de giro, detención momentánea y giro hacia el centro del ring. La retirada tiene prioridad absoluta sobre cualquier otro estado en cualquier instante.

El detalle sutil radica en que empujar a un rival y estar bloqueado contra una pared lucen idénticos desde el sensor de distancia frontal. Si cuentas con codificadores, una velocidad de rueda nula con orden de PWM al 100% indica bloqueo mecánico: esa es la señal para retroceder y volver a atacar en ángulo en lugar de desgastar la batería patinando inútilmente.

Detalles de hardware fundamentales

La punta de la cuña decide las victorias. Chapa fina de acero o aluminio templado, afilada al extremo y suspendida a una fracción de milímetro del suelo mediante un anclaje completamente rígido. Si el soporte flexiona, la cuña trepará por encima del rival en vez de meterse por debajo, invirtiendo el signo de toda la transferencia de carga por peso.

Mantén el perfil frontal bajo. La cuña del rival ejercerá una fuerza vertical ascendente en tu extremo delantero; la tendencia al vuelco dependerá de lo alto que se sitúe tu centro de gravedad respecto a ese punto de contacto. Robots altos son volteados con facilidad por rivales con menor potencia motriz.

Evita las ruedas locas (castor) si es posible. El peso apoyado sobre una rueda loca no genera tracción motriz. Dos ruedas motrices con un deslizador de baja fricción (un botón de PTFE o la cabeza redondeada de un tornillo de nylon pulido) ponen casi toda la masa a trabajar a favor de la adherencia.

Protege el cableado. Este es el único robot de la web diseñado deliberadamente para colisionar con fuerza. Cualquier elemento expuesto en el exterior recibirá impactos; cualquier conector flojo terminará soltándose.

Cajas reductoras metálicas obligatorias. Los engranajes de plástico se deforman o barren sus dientes en un robot cuya condición de funcionamiento nominal es el calado; y una reductora rota en pleno combate es indistinguible de una batería descargada.

Qué aspecto tiene un robot competitivo

El tiempo de reacción ante el borde es el parámetro que gana o pierde combates, y tiene un peso mayor que la propia fuerza de empuje. El borde blanco del ring mide 2.5 cm de anchura. Un robot que se desplaza a 0.5 m/s cruza ese ancho en apenas 50 ms: por ende, un tiempo de reacción de 100 ms significa que el robot ya está en el aire antes de haber terminado de ordenar a sus motores que frenen.

Ese presupuesto temporal se desglosa en: tiempo de lectura del sensor, periodo del bucle de control y distancia física de desaceleración. Los tres son optimizables: muestrea los sensores de borde mucho más frecuentemente que el resto de tareas, mantén un ciclo de ejecución ligero y frena activamente en cortocircuito en lugar de dejar el robot por inercia; puentear los terminales del motor a través del puente en H frena el vehículo con una rapidez incomparablemente superior a simplemente desconectar la alimentación.

El techo de tracción puede expresarse como una fórmula física directa. Con 500 g repartidos sobre dos ruedas motrices y neumáticos de silicona con µ = 1.4:

maximum pushing force = 0.5 kg x 9.81 x 1.4 = 6.9 N

Más allá de ese límite, las ruedas derrapan independientemente del par disponible en el motor, demostrando por qué un robot de sumo es un problema de tracción disfrazado con ropa de problema de potencia motriz.

Diagnóstico de problemas habituales

Seis de estos ocho fallos corresponden a problemas mecánicos o de sensórica, lo que replica la distribución que se observa en el micromouse y por idéntica razón: el código algorítmico representa solo una fracción del reto global.

Si deseas explorar la geometría de detección y frenado sin la carrera armamentística mecánica, el simulador de evasión de obstáculos ejecuta los mismos cálculos de distancia de frenado con un sensor frontal, y el robot esquivador de obstáculos es una versión más accesible que comparte buena parte de este hardware. Para profundizar en la teoría de transmisiones que subyace a todo el sistema, la ruta de control de motores cubre desde el dimensionamiento inicial hasta la odometría de precisión.