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Robótica cooperativa

Robótica cooperativa

Según Lynne Parker, en el artículo escrito el año 2008 relacionado con la “inteligencia distribuida”, las personas se organizan en puestos específicos para desarrollar actividades relacionadas a puestos de trabajo en una empresa. Cada trabajador se especializa en una parcela concreta formando una sociedad. En el ámbito profesional sucede lo mismo, es posible encontrar especialistas en derecho, medicina, ingeniería, computación, arquitectura, etc. Existen multitud de ejemplos donde aparecen equipos de individuos. Las personas han aprendido que un equipo coordinado es más eficiente a la hora de resolver problemas que un individuo. Marvin Minsky propuso, en su libro escrito el año 1985 titulado “la sociedad de la mente”, la idea de que la inteligencia se consigue como una sociedad de agentes que interactúan entre sí y el resultado es un comportamiento global. Sus ideas estaban fundamentadas bajo el análisis realizado sobre el funcionamiento del cerebro y la inteligencia. La base de su argumentación es que la mente no es una única entidad monolítica, sino que está formada por la sociedad de agentes especializados en tareas específicas. Estos agentes se relacionan produciendo como resultado un comportamiento o un pensamiento inteligente.

Según los investigadores Cao, Fukunaga y Kahng, en el artículo publicado el año 1997 relacionado con la “robótica móvil cooperativa”, los sistemas distribuidos de robots presentan un gran número de ventajas en comparación a la funcionalidad de un solo robot: (1) Algunas tareas son imposibles de realizar por un robot único, dada la complejidad o las limitaciones espaciales del problema, haciendo necesario que dos o más de ellos intervengan para efectuarla. (2) Utilizar más robots permite un aumento de la eficiencia y efectividad del sistema, lo que claramente puede evidenciarse en sistemas de exploración y recolección de la información, donde varios robots son capaces de abarcar un área mayor. (3) La creación de muchos robots simples es más barata y fácil, permitiendo una flexibilidad en cuanto a la atención de tareas que un robot único no es capaz de dar, sin importar que tan equipado este. Así actividades como el movimiento de cargas que puede realizarse igual de rápido por un robot único, puede efectuarse en forma más flexible por un conjunto de robots que ayudan según la magnitud de la carga. (4) El uso de múltiples agentes permite enfrentar fallas de mejor forma, ya que aunque fallen y salgan del sistema algunos robots, el objetivo final es aún posible de lograr. En el caso de un robot único, su falla significa la imposibilidad de continuar y finalizar la tarea.

Cuando se habla de sistemas cooperativos de robots se pueden diferenciar tres familias o niveles: (1) Sistemas multi-sensoriales. El caso de varios sensores cooperantes incluye todas aquellas aplicaciones que involucran a más de un sensor y comparten información. Esta información es útil para modelar de manera más rica el entorno que quieren percibir. Un ejemplo de estos sistemas son las redes de sensores. Es un concepto relativamente nuevo en adquisición y tratamiento de datos de manera coordinada. Estas redes están compuestas por un amplio número de sensores con capacidades comunicativas, que se interconectan formando redes ah-hoc. Disponen de una reducida capacidad de cálculo e incapacidad motora pero sus capacidades cooperativas permiten a estos sistemas ser una buena opción en determinados entornos: Por ejemplo zonas de difícil acceso o con alto riesgo de bloqueos. (2) Sistemas con múltiples actuadores. Los sistemas cooperantes con múltiples actuadores incluyen el control de actuadores dentro de un mismo robot o la manipulación coordinada de objetos. La locomoción con patas requiere que haya una sincronización y planificación de todos los movimientos, para que se produzca de manera suave y efectiva. En el caso de la manipulación coordinada sucede algo parecido, es vital que haya cooperación para evitar colisiones entre los manipuladores, interferencias, etc. Un ejemplo de estos últimos sistemas se puede encontrar en las cadenas de montaje de automóviles responsabilizándose de tareas de soldadura o pintura. (3) Sistema de robots independientes. La tercera familia de sistemas cooperantes está formada por varios robots independientes. Estos robots forman un equipo en caso de no ser excesivamente numeroso o un enjambre, en caso de pertenecer a un equipo muy numeroso. Las aplicaciones habituales de estos equipos son la recolección de objetos, exploración, navegación en formación, etc.

El uso de varios robots para lograr un objetivo común viene motivado por varios factores: El primero de ellos es que en algunos escenarios, el uso de un solo robot puede hacer la tarea muy complicada o incluso imposible de realizar. Imagine que se quiere construir un mapa de la superficie de Marte. Con una única entidad móvil se emplearía mucho tiempo hasta conseguir explorar toda la superficie marciana. Otra ventaja adicional es la mayor tolerancia a fallos. En el ejemplo, si un robot se quedara bloqueado, el resto de compañeros completarían la labor. La mejora del rendimiento es otro factor positivo. A mayor número de robots bien organizados, menor será el tiempo empleado hasta llegar al objetivo. Cuando la tarea a realizar es fácilmente divisible en subtareas es más fácil la asignación de subobjetivos a los miembros del equipo. Las capacidades de percepción de cada robot pueden verse ampliadas al compartir información. De esta manera un robot podría percibir más allá de lo que captan sus sensores. Otra ventaja del uso de sistemas multi-robot coordinados es el paralelismo, es decir, se podrían llevar a cabo diversas acciones de manera simultánea. El costo económico también puede beneficiarse del uso de equipos de robots. La compra de un super-robot encarecerá el costo total más que la suma de los precios individuales de varios robots convencionales.

Según Gregory Dudek, en el artículo escrito el año 1996 sobre “una taxonomía para la robótica multi agente”, presenta una taxonomía para clasificar los diferentes aspectos que forman parte de un sistema robótico de agentes múltiples, en este entendido los ejes más significativos son: (1) Control centralizado versus distribuido. Robin Murphy, en el libro escrito el año 2000 relacionado con una “introducción a la robótica”, describe esta característica como el grado de similitud entre los robots que forman el grupo. Un grupo heterogéneo está formado por al menos dos miembros con hardware o software diferente, mientras que en un grupo homogéneo todos los miembros son idénticos. (2) Mecanismos de coordinación. Un equipo de robots puede cooperar de maneras muy diversas: Desde la más básica en la que cada individuo no tiene conciencia del resto, hasta las más elaboradas basadas en negociaciones de alto nivel y con un elevado grado de comunicación. Los mecanismos de cooperación dinámica son adecuados para favorecer la flexibilidad y adaptabilidad a la hora de afrontar una tarea coordinada. En el artículo escrito el año 2004 titulado “un paradigma para la coordinación dinámica de robots múltiples”, los investigadores Chaimowicz, Kumar y Campos, proponen un mecanismo de asignación dinámico de roles, que permite asociar tareas concretas a robots o grupos de robots sobre la marcha. Este mecanismo es descentralizado y cada individuo toma sus propias decisiones basadas en la información local y global. Se pueden enumerar tres tipos de cambio de rol: (a) Asignación. Se asume un nuevo rol cuando se termina la ejecución de una tarea. (b) Reasignación. El rol activo se aborta y comienza la ejecución de otro nuevo. (c) Intercambio. Dos o más robots se sincronizan e intercambian sus papeles. (3) Comunicación. La comunicación determina las posibilidades de interacción entre los miembros del grupo, siendo el vehículo para que la coordinación se manifieste. Es posible identificar tres tipos de interacción que tienen que ver con el intercambio de información: A través del medio, a través de los propios sensores del robot o explícita empleando comunicaciones. (4) Interferencias y conflictos. Este es un problema típico cuando varios elementos quieren acceder a un recurso compartido. Este medio compartido puede ser desde un canal de comunicaciones hasta una intersección de carreteras. Si dos o más individuos acceden a él en el mismo instante de tiempo se produce una colisión. Por tanto, es necesario que exista algún mecanismo de exclusión mutua para evitar estos problemas cuando sea necesario.

En un barrido de las aplicaciones típicas que se abordan con grupos de robots, se observan las siguientes: (1) Recolección. La recolección consiste en encontrar y recoger una serie de objetos diseminados por el entorno. En situaciones reales estas técnicas se pueden usar para recoger sustancias tóxicas, participar en situaciones de rescate, detectar de minas, etc. (2) Formaciones. Esta especialidad aparece cuando se combina la navegación y los grupos de robots. Consiste en el control de múltiples individuos moviéndose juntos en formación. Los trabajos en el ámbito de las formaciones en vehículos no tripulados despertaron un interés militar en el Ministerio de Defensa de Estados Unidos durante la década de los años 1990. (3) Gestión de almacenamiento. En grandes centros de distribución, almacenes o pequeños negocios con gran volumen de movimiento de productos es habitual dedicar mucho tiempo a la gestión del inventario. Esta gestión involucra tareas de llenado de determinados compartimentos o vaciado cuando los clientes lo solicitan. Un equipo de robots cooperantes puede ser una muy buena solución para este problema, liberando a las personas de esta tarea repetitiva y mejorando la eficiencia de la gestión de los recursos. (4) Manipulación coordinada. Hay muchos trabajos sobre este tema consistente en arrastrar cajas usando varios robots con brazos, o de manera más genérica, manipular objetos entre varios agentes. Un dato interesante de esta especialidad es que la cooperación puede llevarse a cabo sin que cada robot sepa de la existencia del resto. (5) Fútbol robótico. El fútbol robótico es un campo de pruebas interesante que está cobrando mayor interés año a año. Además del reto tecnológico que requiere desarrollar un sistema completo perceptivo, locomotor, estratégico, que incluya auto-localización y cooperación entre sus miembros, tiene el ingrediente extra de ser competitivo. Un equipo de robots se enfrenta a otro equipo con objetivos opuestos a los tuyos. Desde el punto de vista de coordinación es un escenario muy propicio a establecer roles entre los miembros de cada equipo con estrategias de posicionamiento y comportamientos específicos.

Referencias Bibliográficas

  • Cao Y., Fukunaga A. y Kahng A. (1997) Cooperative Mobile Robotics: Antecedents and Directions. Autonomous Robots, vol. 4, 1-23.
  • Chaimowicz L., Kumar V. and Campos M. (2004) A Paradigm for Dynamic Coordination of Multiple Robots. Autonomous Robots, 17(1).
  • Dudek G., Jenkin M.R.M. and Wilkes D. (1996) A taxonomy for multi-agent robotics. Autonomous Robots, 3:375–397.
  • Minsky M. (1985) The Society of Mind. Simon and Schuster. EE.UU.
  • Murphy R.R. (2000) Introduction to AI Robotics. MIT Press, Cambridge, MA, USA.
  • Parker L. (2008) Distributed intelligence: Overview of the field and its application in multi-robot systems. Journal of Physical Agents, 2(1):5–14, 2008.
Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net
Marzo 26 de 2012
Robótica humanoide

Robótica humanoide

Los robots humanoides son aquellos robots que se encuentran basados en la apariencia del cuerpo humano. La mayoría de los robots humanoides tienen un cuerpo humanoide, dos piernas, dos brazos, y alguna forma de una cabeza. Algunos robots humanoides también incluyen una cara en la cabeza, que puede venir en diferentes grados de expresividad. Aunque las ideas detrás de este tipo de robots han existido desde hace algún tiempo, es sólo en la última década que los grandes avances se han hecho lo suficiente para que sean considerados relativamente como robots humanoides. El término androide se utiliza a menudo como sinónimo para los robots humanoides, pero también puede ser utilizado para describir algo un poco más específico. Algunas personas sostienen que, estrictamente hablando, un androide es sólo un robot destinado a parecerse a un humano de sexo masculino, mientras que un ginoide técnicamente sería el término adecuado para un robot de apariencia femenina. Otros utilizan el término androide para describir una forma más sofisticada de robots humanoides. En este sentido, un androide que no sólo tiene la apariencia física de un ser humano, pero tiene una inteligencia artificial bastante avanzada, que permite mostrar un comportamiento humano razonablemente aproximado.

La robótica humanoide se dedica al desarrollo de sistemas robotizados para imitar determinadas peculiaridades del ser humano. Un robot humanoide tiene como objetivo la capacidad de tratar fácilmente con humanos, realizando tareas útiles en ambientes complejos y cambiantes. Comúnmente este tipo de robots poseen el mismo aspecto exterior que el cuerpo humano, pueden realizar tareas como caminar, pero no pueden interactuar completamente con el mundo. Un robot humanoide que se limita a imitar los actos y gestos de un controlador humano, no es visto por el público como un verdadero androide, sino como una simple marioneta animatrónica. El androide siempre ha sido representado como una entidad que imita al ser humano tanto en apariencia, como en capacidad mental e iniciativa. Antes incluso de haber visto un verdadero robot en acción, la mayoría de las personas asocian la idea de robot con la de androide, debido a su extrema popularidad como cliché de la ciencia ficción.

Para acercarse más a este tema se hace una lista de los mejores robots humanoides creados hasta el año dos mil nueve: (1) Reem-B, es un robot fabricado por la empresa de los Emiratos Árabes Pal Robotics y un equipo de ingenieros catalanes para ser “mayordomo”. Se habla de este robot desde su presentación en la III Jornada de Robótica realizada en Barcelona el año 2008. Este robot es lo más parecido a la imagen que la mayoría de las personas tienen en su mente acerca de un robot, cuadrado, de color plateado, con cabeza tronco y extremidades. Pero este robot es mucho más que eso, Reem-B reconoce caras humanas, reconoce la voz de su interlocutor y responde a lo que le dicen, obviamente a ciertas ordenes que tiene programadas, tiene la capacidad de realizar múltiples movimientos como caminar, subir escalones, sentarse y agarrar objetos, tiene la capacidad de orientarse en un lugar después de haberlo reconocido, transporta objetos de hasta 12 kilos, reconoce y maneja objetos comunes. Como puede verse es un excelente robot, que perfeccionándolo puede llegar a ser muy útil y comercial. (2) Aiko, esta sorprendente robot hace realidad la posibilidad de que las amas de casa lleguen a ser robots, y no solo eso, también puede ser una perfecta niñera, e incluso según su creador una buena esposa. Sin embargo este robot lleva a la posibilidad de tener en un futuro en los hogares un robot que hace muchas cosas por las personas y que tenga una apariencia humana, mejor aún que sea la apariencia de una mujer, digamos que con esto lo que se logra es confianza. Aunque Aiko es un proyecto en desarrollo, actualmente está en la capacidad, de recibir órdenes, leer, reconocer objetos, realizar operaciones matemáticas y mucho más. Incluso se está trabajando en que Aiko tenga la capacidad de hacer lo siguiente: Posee expresiones faciales. Hace té y café. Cocina sushi. Hace un desayuno simple con huevos y tocino. Limpia los oídos a las personas con copitos. Hace masajes. Escribe e imprime. Limpia ventanas, sacude y lava baños. (3) HRP-4C, es una Fembot creada para modelar en las pasarelas con la misma técnica que lo hacen las modelos, y con la capacidad de lucir los nuevos trajes de la moda mundial. Es un robot del cual se está oyendo hablar todos los días y que se puede clasificar como el más actual, aunque no sea precisamente el más sofisticado. Con cuarenta y tres kilogramos de peso, y una estatura de un metro cincuenta y ocho centímetros, esta modelo de apariencia japonesa similar a las caricaturas Anime, tiene la capacidad de posar y sonreír en las pasarelas, además de pronunciar algunas palabras.

Un conjunto complementario de robots humanoides con bastante utilidad constituye la siguiente lista: (1) Robonova 1, es un nuevo concepto de robot que permite montar y controlar un robot humanoide como solo se podía hacer hasta ahora en centros avanzados y laboratorios de investigación. Gracias al software incluido en el kit también los principiantes pueden llenar fácilmente el robot de vida. Si una persona no sabe nada de robots, puede iniciarse con este modelo e ir haciendo cosas cada vez más complejas, conforme vaya adquiriendo práctica y conocimientos. Robonova 1 es un robot adecuado para principiantes que se disfruta desde el principio y que no necesita conocimientos especiales de programación o informática. (2) Saya, es una maestra robot japonesa que trabaja en aula,, pasa lista, sonríe y regaña, provocando las risas de los estudiantes con su rostro realista. Pero su diseñador dice que aún no está lista para reemplazar a los instructores humanos. A diferencia de robots de apariencia más mecánica, como Asimo, de Honda Motors, la maestra robot, llamada Saya, puede expresar seis emociones básicas: sorpresa, miedo, repugnancia, furia, felicidad y tristeza, debido a que su piel de goma es jalada desde atrás por motores y cables alrededor de los ojos y la boca. Desarrollada inicialmente como una recepcionista robot en el año 2004, Saya fue probada en un aula real en Tokio el año 2009 con un puñado de alumnos de quinto y sexto grados, aunque aún no puede hacer mucho más que pasar lista y gritar órdenes como ¡Cállense!. (3) Mexone, el robot humanoide es uno de los más avanzado en su tipo a nivel mundial y se espera tenga un costo menor a sus contrapartes internacionales. Este androide tiene dos computadoras de alto rendimiento que atenderán 80 dispositivos periféricos, con sensores de torque, de posición y además contarán con 12 sistemas microelectromecánicos en cada extremidad inferior, que le permitirán escanear la superficie que está pisando y así lograr el balance requerido para mantenerse en pie. Las computadoras del tipo Athena y Poseidón, empleadas normalmente en sistemas de automatización, se encargarán de atender los numerosos sensores y adaptar los parámetros de los controladores, al tiempo que atenderán todos los procedimientos de datos e imágenes de alta velocidad. Ambas computadoras estarán conectadas a un servidor inalámbrico que actúa como una extensión del cerebro artificial del robot, por lo que tendrá la capacidad de procesar mayor información. Los desarrolladores del Mexone afirman que se trata de un trabajo de largo plazo del que se pueden extender otros proyectos en beneficio de la población nacional. Por el momento, a un año del inicio del androide han desarrollado la parte superior del robot, de la pelvis a la cabeza. Se estima que una versión concluida del Mexone realice sus primeros pasos a principios del año 2011, y medirá un metro con cinco centímetros de altura, tendrá la habilidad de aprender por experiencia y podrá realizar actividades como hablar, caminar, subir escaleras y sentarse. (4) Asimo, acrónimo de “Paso Avanzado en Movilidad Innovadora”, es un robot humanoide creado en el año 2000 por la empresa Honda y uno de los símbolos de la apuesta de la compañía por la investigación y el desarrollo en diferentes ámbitos, como el de los motores menos contaminantes, los sistemas de propulsión alternativa, la seguridad en la carretera, la movilidad personal, la aviación o la inteligencia artificial. El compromiso a largo plazo de Honda en el desarrollo de robots humanoides se inició en los años 1980, cuando creó su primer robot bípedo en 1986. El resultado es Asimo, uno de los robots humanoides tecnológicamente más avanzados del mundo, capaz de andar, correr, subir y bajar escaleras, girarse suavemente e imitar muchos otros movimientos humanos. Asimo, en su última versión mide un metro treinta centímetros, pesa cincuenta y cuatro kilogramos y cuenta con varias aplicaciones procedentes de la inteligencia artificial, puede identificar y agarrar objetos, entender y dar respuesta a órdenes orales e incluso reconocer las caras de algunas personas.

En resumen se puede decir que la robótica humanoide no es más que la construcción de robots con formas iguales o muy similares a las humanas, y que puedan desempeñar funciones como caminar, manejar objetos entre muchas otras funciones propias de los humanos. El objetivo de este tipo de robots es que trabajen para los seres humanos en aquellas cosas que poco les gusta hacer, como limpiar la casa, y es que si se observan películas de ficción como “Yo Robot”, “El Hombre Bicentenario” y similares, lo único que hasta ahora no es factible de los robots que se muestran en estas películas es que lleguen a pensar por sí mismos, por lo menos no como lo hace un ser humano, por lo demás ya es posible ver mayordomos, atletas, músicos y mucho más. Incluso se observa robots que no son precisamente con cabezas cuadradas y metálicas, si no que son robots con apariencia muy parecida a la del ser humano.

Guillermo Choque Aspiazu
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Enero 3 de 2011
Telerrobotica

Telerrobotica

La robótica es un campo multidisciplinario de la inteligencia artificial encargado de la investigación y el desarrollo de robots. En el mismo confluyen áreas como la mecánica, automática, informática y electrónica. En la actualidad los robots tienen múltiples variedades, clasificados de acuerdo a su arquitectura y aplicación, los mismos van desde los industriales que pueden ser encontrados en las líneas de ensamblado de las industrias hasta los robots humanoides que busca mimetizar al ser humano, así como también insectoides, aéreos, submarinos, móviles, etc. En el presente trabajo el interés está centrado en los robots que poseen una característica especial, al ser al ser manipulados de diferentes lugares en la Internet.

Las exploraciones al espacio con lanzamientos de sondas espaciales, el control de satélites, los aviones teleoperados y el telecontrol de misiles son ejemplos de tecnologías que, hoy en día, entremezclan las técnicas de los sistemas de control y los sistemas de comunicaciones. Sin embargo, y aunque pareciera que esta tecnología vanguardista sólo es accesible a un grupo selecto de personas, debido a las fuertes inversiones económicas, gracias a la Internet, a la reducción de precios de microprocesadores y tarjetas de adquisición de datos, al considerable aumento potencial de las computadoras personales, entre otros, el uso de estas mezclas tecnológicas se vuelve más y más accesible. De modo que ahora se utiliza en universidades para implementar laboratorios a distancia; en empresas para mantenimiento, programación y control de dispositivos en forma remota, y en la implementación de casas, hoteles y restaurantes inteligentes, todos de una manera relativamente muy accesible. Asimismo, los beneficios del control a distancia han impactado en forma muy positiva el área de investigación en robótica, de modo que los robots ya no sólo son utilizados para movimientos básicos, sino que son capaces de interactuar con personas a distancia.

La búsqueda de la autonomía siempre ha sido un objetivo fundamental de la robótica. Durante años se ha tratado de que los robots estén dotados de capacidades de percepción y actuación autónomas, sin la intervención de los humanos. Los robots industriales actuales son capaces de realizar autónomamente numerosas operaciones en procesos de fabricación, ejecutando programas que permiten realizar movimientos variados en operaciones repetitivas en entornos estructurados y acondicionados para su funcionamiento. Sin embargo, la actuación de robots en entornos naturales no acondicionados y con dinámicas no predecibles requiere funciones de interacción con el entorno y capacidades de deliberación mucho más complejas. Un aspecto clave es la seguridad de funcionamiento: el robot no sólo debe ser capaz de demostrar funcionalidades en determinadas condiciones, sino que debe funcionar siempre, aunque las condiciones del entorno sean impredecibles, y su funcionamiento debe ser seguro, incluso cuando se produzcan errores y fallos en el propio robot. Por ello, las aplicaciones prácticas de los robots completamente autónomos son todavía escasas. De hecho, en la práctica, gran parte de las aplicaciones de los robots en entornos naturales no estructurados, requiere que una persona supervise o guíe la actuación del robot La telerrobótica surge como síntesis de la teleoperación y la robótica. Se trata de que el humano reciba la información de los sensores del robot y genere órdenes que se ejecutan de forma autónoma en el robot.

Para lograr la comprensión de la telerrobótica es necesario conocer lo que representa la teleoperación. Un sistema de teleoperación consta de los siguientes elementos: (1) Operador o teleoperador. Hace referencia a un ser humano que realiza a distancia el control de la operación. Su acción puede ir desde un control continuo hasta una intervención intermitente, con la que únicamente se ocupa de monitorizar y de indicar objetivos y planes cada cierto tiempo. (2) Dispositivo teleoperado. Puede referirse a un manipulador, un robot, un vehículo o dispositivo similar. Es la maquina que trabaja en la zona remota y que está siendo controlada por el operador. (3) Interfaz. Es un conjunto de dispositivos que permiten la interacción del operador con el sistema de teleoperación. Se considera al manipulador maestro como parte del interfaz, así como a los monitores de vídeo, o cualquier otro dispositivo que permita al operador mandar información al sistema y recibir información del mismo. (4) Control y canales de comunicación. Se refiere a un conjunto de dispositivos que modulan, transmiten y adaptan el conjunto de señales que se transmiten entre la zona remota y la local. Generalmente se cuenta con uno o varias unidades de procesamiento. (5) Sensores. Constituyen un conjunto de dispositivos que recogen la información, tanto de la zona local como de la zona remota, para ser utilizada por la interface y el control.

A priori al ingreso para el análisis de las tecnologías conviene especificar algunos conceptos de interés para la presente propuesta: (1) Teleoperación. Es un conjunto de tecnologías que comprenden la operación o gobierno a distancia de un dispositivo por un ser humano. Por tanto, teleoperar es la acción que realiza un ser humano de operar o gobernar a distancia un dispositivo; mientras que un sistema de teleoperación será aquel que permita teleoperar un dispositivo, que se denominará dispositivo teleoperado. (2) Telemanipulación. Es un conjunto de tecnologías que comprenden la operación o gobierno a distancia por un ser humano de un manipulador. Por tanto, telemanipular es la acción que realiza un ser humano de operar o gobernar a distancia un manipulador, mientras que un sistema de telemanipulación será aquel que permita teleoperar un manipulador, que se denominará manipulador teleoperado. (3) Telerrobótica. Es un conjunto de tecnologías que comprenden la monitorización y reprogramación a distancia de un robot por un ser humano. Se habla entonces de la teleoperación de un robot, que se denominará telerrobot o robot teleoperado.

Es común escuchar el término “telerrobótica”, esto no es más que una aplicación del control de los robots a distancia, se utiliza tanto en la docencia como en la investigación y en la industria. Actualmente, este interés se ha incrementado debido al acceso a la tecnología de Internet como medio de comunicación entre hombre y robot. De modo que la telerrobótica, en conjunto con el Internet como medio de comunicación, se conoce como Internet –robots, y provee de diferentes aplicaciones en distintas áreas, por ejemplo: servicios en el hogar, entretenimiento, telemedicina, la industria de automatización, servicios militares, educación a distancia y laboratorios remotos de investigación.

Aunque se encuentran varias definiciones que provienen de diferentes fuentes, se puede definir a la telerrobótica como un campo de la Robótica que se ocupa del control remoto de robots. A continuación se relacionan otras definiciones que pueden complementar la mencionada anteriormente: (1) El término telerrobótica se aplica a los casos en los que un operador humano es capaz de monitorizar y reprogramar remotamente el comportamiento de un determinado robot. (2) La telerrobótica puede considerarse como una forma evolucionada de teleoperación, caracterizada por un aumento de autonomía (capacidad de decisión y actuación) en el sistema remoto manteniendo una intervención significativa del operador humano para supervisión o teleoperación directa. Vale la pena destacar el hecho de que en telerrobótica el término “remoto” es un poco ambiguo ya que se puede referir a una distancia física, en donde el operador está separado del robot por una distancia que se puede cuantificar en metros o kilómetros; pero también se puede referir a un cambio de escala, como por ejemplo en una aplicación médica, donde un cirujano usa un microrobot para hacer un procedimiento quirúrgico a nivel microscópico.

Uno de las principales referencias en telerrobótica, automatización y control supervisor es Thomas B. Sheridan. Una de las principales ideas de este autor es que los progresos en robótica dependen no solo de los cambios en la tecnología, sino también en los avances en la comprensión de la relación entre personas y máquinas. Esta idea introduce un concepto interesante. Si bien es necesario estudiar cada factor por separado, persona con: perfil del usuario, aspectos cognitivos, tipo de discapacidad, tipo de dependencia, además de la máquina: estructura cinemática, tipo de pinza prensora, control de la trayectoria, Sheridan enfoca la atención en la relación entre ellos, por tanto en la parte de interacción: (1) Reparto del control de la tarea entre persona y máquina. (2) interacción entre persona y máquina: tipo de interfaz física adaptada al tipo de discapacidad.

A esta idea conviene añadir que el sistema persona-máquina no puede considerarse de forma aislada, hay que valorar que la persona y la máquina se encuentran en un entorno, por ejemplo el ámbito doméstico, y por tanto el “sistema” pasa a ser la persona, la máquina y el entorno y lo que conviene analizar son las múltiples interacciones entre ellos cuando se lleva a cabo una tarea. La ergonomía cognitiva ya engloba esta última idea dentro del marco conceptual actual denominada sistema cognitivo conjunto, en el que se describe cómo debe arroparse el concepto de diseño centrado en el usuario desde la perspectiva del diseño contextual. Dentro del ciclo de diseño se enmarca el concepto de usabilidad, es decir, a como el usuario puede usar el sistema que está siendo diseñado. Para ello es necesario llegar al concepto de evaluación de la usabilidad con lo siguiente: (1) deben existir unas especificaciones de usabilidad. (2) la opinión del usuario debe tenerse en cuenta. (3) el diseño debe ser poco costoso.

Guillermo Choque Aspiazu
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Septiembre 27 de 2010
Robots manipuladores

Robots manipuladores

El estudio del movimiento del cuerpo humano se ha centrado fundamentalmente en el estudio de la marcha humana que por ser un movimiento repetitivo permite la definición de patrones de normalidad a partir de mediciones estadísticas. En contraposición el análisis del movimiento de los miembros superiores es mucho más complejo y la extensión de los métodos de la marcha humana resulta insuficiente por la gran versatilidad de acciones que se pueden realizar con los brazos. Así como las piernas dotan de movilidad de movilidad al individuo permitiéndole desplazarse, son los brazos los que le permiten interactuar con diversos objetos, realizando movimientos con características dinámicas variadas: gran precisión, mucha fuerza, gran velocidad, etc. Una posible aplicación a la evaluación del desempeño de los miembros superiores, es la aplicación de algunos criterios propios de la robótica al área de la biomecánica. Esta aproximación es curiosa pues los robots manipuladores surgieron como la imitación mecánica de los brazos humanos.

Un posible modelo para describir la estructura del brazo y su movilidad, asimilándolo a un robot manipulador es la siguiente: el brazo se considera como un mecanismo en cadena abierta de cuatro eslabones que representan el tórax o la base, el brazo, el antebrazo y la mano. Estos cuatro eslabones se suponen como cuerpos rígidos conectados por uniones mecánicas holonómicas, que representan las articulaciones de hombro, codo y muñeca. El manipulador tiene un total de siete grados de libertad asociados con siete movimientos del brazo. Aplicando a este modelo los métodos tradicionales de descripción cinemática de robots manipuladores, es posible determinar la posición y orientación de la mano. A partir de la formulación cinemática diferencial, es posible aplicar criterios propios de los robots manipuladores al brazo humano. En este entendido la manipulabilidad parece representar el criterio a optimizar en algunos movimientos del brazo humano. La manipulabilidad se puede interpretar como la eficacia con la cual el brazo transmite fuerza y velocidad a su órgano terminal. Considerando la conservación de energía, las direcciones preferentes de fuerza serán las menos aptas para desarrollar altas velocidades y viceversa. La manipulabilidad se representa como un elipsoide para cada configuración del brazo, donde la distancia del centro del elipsoide a la frontera es proporcional a la facilidad de transmisión de fuerza o velocidad en esa dirección.

Los robots manipuladores o robots industriales, conocidos así porque inicialmente fueron usados masivamente en la industria, fueron los encargados de inaugurar la era de los robots en los años 1960, con la herencia adquirida de los primeros teleoperadores. Por ello, es el área de la robótica donde la investigación está más avanzada. Es difícil encontrar investigaciones que trabajen en los aspectos básicos de los robots manipuladores tradicionales y, las pocas que hay, están centradas en la inclusión de modernos sensores o actuadores. Un ejemplo de esto es la adición de cámaras para reconocimiento avanzado de imágenes digitales que mejoren la efectividad de dichos robots. El área más interesante, y donde sí que se investiga de manera importante es en la búsqueda de novedosas aplicaciones para los robots manipuladores, como es el caso de los robots quirúrgicos, los cuales presentan un gran auge en estos momentos. En este caso, la investigación no está centrada en el robot sino en adaptar éste a las necesidades propias de la aplicación.

Se conoce también al robot manipulador como brazo robótico y esto se debe a que guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano. También por ello, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se utilizan términos como cuerpo, brazo, codo o muñeca. Formalmente, se denomina base al punto de apoyo del robot, generalmente sujeto de forma fija al suelo. Los elementos o eslabones van unidos por medio de diferentes articulaciones, que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. En la parte final, se sitúa el elemento terminal o efector final, que es el encargado de interaccionar directamente con el entorno del robot. El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de giro o de una combinación de ambos. De este modo son posibles los cinco tipos diferentes de articulaciones, con sus diferentes grados de libertad, que se muestran a continuación: (1) Rotación. (2) Prismática. (3) Cilíndrica. (4) Planar. (5) Esférica. Los grados de libertad son el número de movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. El número de grados de libertad de un robot viene dado por la suma de los grados de libertad de cada una de sus articulaciones. El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones con características a tener en cuenta tanto en el diseño y construcción del robot como en su aplicación.

Un robot manipulador es definido por el “Instituto de Robótica de América” de la siguiente manera: “Un manipulador reprogramable y multifuncional diseñado para mover material, partes y herramientas, o dispositivos especializados, mediante movimientos variables programados para la realización de una variedad de tareas” Esta definición proporciona una idea acerca de lo que puede ser considerado un robot manipulador, aún a pesar de que existan otras clases de robots, son los manipuladores los que han encontrado el campo de aplicación con mayor impacto para la robótica. Básicamente se puede entender por robot manipulador como un brazo mecánico operando bajo el mando de una computadora. Un robot manipulador se compone de eslabones y articulaciones que los unen. Existen dos uniones posibles: la prismática y la revoluta. A su vez un manipulador puede ser de cadena abierta, si está formado por una sucesión lineal de eslabones, o en el caso contrario de cadena cerrada. El análisis de un robot manipulador incluye la descripción del movimiento y de las fuerzas que intervienen en este, así mismo se busca predecir y controlar el comportamiento del sistema. El estudio del movimiento puede dividirse en cinemática y dinámica. Por un lado, la cinemática atiende únicamente al movimiento, es decir al desplazamiento, velocidad y aceleración, entre los eslabones y en las articulaciones; a su vez, la dinámica toma en cuenta las fuerzas que intervienen en el movimiento.

Un robot manipulador cuenta con una base que en la mayoría de las aplicaciones se encuentra anclada, teniendo en cuenta esto, se puede asumir que se encuentra fija y se ubica ahí el sistema coordenado de referencia. La posición de todas las partes del sistema puede ser descrita en todo momento a partir de las variables articulares del sistema. Esto plantea un problema inicial, ya que normalmente la tarea a realizar estará referida en coordenadas cartesianas del espacio de tarea, y no con respecto a las variables articulares del sistema. El análisis cinemático se divide en cinemática directa e inversa. La cinemática directa se encarga de calcular la posición, orientación, velocidad y aceleración del efector en el espacio de tarea cuando son conocidos los valores articulares. La cinemática inversa se refiere al caso contrario, en el cual las variables articulares son calculadas a partir de los valores deseados del efector final en el espacio de tarea.

Hay que mencionar que la cinemática inversa y directa proponen transformaciones entre dos espacios, el espacio articular y el espacio de tarea. El espacio de tarea a lo más seis dimensiones. El espacio articular es n-dimensional, posee tantas dimensiones como articulaciones tenga el manipulador; de ahí que mientras más articulaciones posea un manipulador se incremente la complejidad de su análisis y la obtención de las ecuaciones de cinemática inversa. Algunos aspectos del análisis cinemático incluyen el manejo de redundancia en el sistema, referida como muchas posibilidades para efectuar el mismo movimiento, evasión de colisiones y evasión de singularidades. Una vez que todas las posiciones, velocidades y aceleraciones han sido calculadas usando la cinemática, se usa la dinámica para estudiar el efecto de las fuerzas presentes en el sistema al ejecutar estos movimientos. La dinámica directa se refiere al cálculo de aceleraciones en el robot una vez que han aplicado fuerzas conocidas en las articulaciones. La dinámica inversa se refiere al cálculo de las fuerzas en los actuadores necesarias para llevar a cabo los movimientos deseados. Esta información es usada para implementar un esquema de control al robot o para elegir actuadores.

Los robots manipuladores tienen su principal foco de trabajo en la industria, automatizando los procesos de producción o almacenaje. Generalmente no trabajan de forma independiente sino en conjunto con otras máquinas herramientas formando células de trabajo. Se enumeran a continuación algunos ejemplos: (1) Operaciones de procesamiento, como soldadura, pintura, etc. Este tipo de robots son muy comunes en la industria de los automóviles. (2) Operaciones de ensamblaje, donde el trabajo repetitivo facilita el uso de este tipo de robots. (3) Operaciones de empaque, en tarimas o pallets, agilizando el proceso y manejando grandes pesos. (4) Otro tipo de operaciones como pueden ser remachados, estampados, corte por chorro de agua, sistemas de medición, etc.

 

Guillermo Choque Aspiazu
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Julio 5 de 2010

Robots flexibles

Robots flexibles

Hace unas décadas, el enfoque para la programación de robots era puramente analítico. Fundamentalmente se basaba en capturar información de los sensores, si es que los había, calcular las coordenadas a las que debía moverse el robot y controlar los motores para alcanzar dichas coordenadas. Con esto se construían controladores rígidos que tenían serios problemas para gestionar imprevistos como la aparición de un objeto nuevo en escena o la modificación del entorno. Esta rigidez se ha traducido en el acervo popular de diversas formas, desde los movimientos ortopédicos de los robots cinematográficos más famosos hasta la voz sin inflexiones utilizada para imitarlos.

A finales de la década de los años 1980 aparece un enfoque nuevo, denominado robótica reactiva o robótica basada en comportamientos, impulsado, entre otros, por Rodney Brooks. En dicho enfoque se rompe con la estructura centralizada y con la planificación pormenorizada usada hasta entonces y se introduce el concepto de “comportamiento”. Un comportamiento es un programa muy simple que se activa en ciertas condiciones y actúa sobre los motores del robot en función de las medidas sensoriales. Algo así como: “si el sensor ultrasónico de la derecha mide una distancia de menos de cincuenta centímetros hasta un obstáculo, gira diez grados a la izquierda”. Parecería que con instrucciones tan simples no es posible resolver problemas complejos, pero sorprendentemente los controladores construidos bajo este paradigma no sólo se desenvuelven bien en entornos complejos, sino que viendo a robots controlados de este modo se siente la inquietante sensación de estar viendo los movimientos de un ser vivo, no de una máquina.

Se populariza desde entonces una idea que quizá pueda aplicarse también a los animales e incluso a los propios humanos: la complejidad en el comportamiento de los seres vivos quizá no se deba a la complejidad de su programación interna, sino a un conjunto de algoritmos simples aplicados a un medio complejo. Es decir, sería la complejidad del medio la que se refleja en la complejidad del comportamiento animal y humano. Algunos de los precursores de estos robots flexibles son los espectaculares prototipos del “Leg Lab” del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Uno de los más sorprendentes es el monópodo, que demuestra que la naturaleza no lo ha inventado todo: no existen animales con una sola pata, al menos hasta donde se sabe.

En tiempos actuales la exigencia de las máximas prestaciones en las maquinas, al mínimo costo, conduce inevitablemente a la reducción de las masas de las piezas en movimiento, lo que permite reducir los tiempos de ciclo, reducir el tamaño del actuador etc. Todas son ventajas excepto en un punto: al reducir la masa las piezas pierden rigidez y la hipótesis de solido rígido deja de ser válida. Esta tendencia afecta también a las estructuras, que al hacerse muy esbeltas tienen tendencia a vibrar demasiado y necesitan métodos de control activo. Esta tendencia se agrava con la utilización de nuevos materiales compuestos que permiten realizar elementos resistentes muy ligeros pero menos rígidos que los convencionales. Debido a lo escrito, es muy interesante estudiar el comportamiento de los sistemas con elementos flexibles, así como de las técnicas que permiten controlar las vibraciones en los sistemas flexibles de manera que puedan utilizarse en aplicaciones reservadas hasta ahora a sistemas rígidos.

Las aplicaciones potenciales son muy numerosas, pues van desde las estructuras hasta las maquinas: (a) Grandes estructuras en las que se utilizan sistemas activos para controlar las vibraciones. (b) Puentes levadizos, en los que se rigidizan sus elementos móviles, aumentando la sección de las vigas, para evitar las vibraciones. (c) Alerones y elementos similares en aviones. En aeronáutica toda reducción de masa que no disminuye la seguridad es bienvenida. (d) Sistemas autoportantes como las grúas o plataformas utilizadas para el mantenimiento. En estos sistemas es muy interesante cualquier reducción de masas, pues reduce las especificaciones del vehículo portador. (e) Las antenas de radar y de comunicaciones situadas en vehículos necesitan, en muchos casos, sistemas de orientación activa. Utilizar elementos flexibles no supondría un costo excesivo. (f) Robots flexibles. En principio los robots industriales se diseñaron de manera que sus estructuras mecánicas se comporten como sólidos rígidos. Para ello, se exige a sus elementos estructurales que su primera frecuencia propia sea diez veces mayor que su frecuencia de trabajo. Esta condición es insostenible en numerosas aplicaciones.

La robótica flexible surge de la necesidad de construir robots de grandes dimensiones y de poco peso, con objeto de ser transportados para aplicaciones aeroespaciales. Una forma de conseguir esto, además de la solución obvia de utilizar materiales más ligeros que a menudo no es factible, consiste en reducir la sección transversal de los eslabones del robot. Con ello se consiguen robots más “esbeltos”, pero que plantean dos problemas importantes: (1) en situaciones estáticas aparecen deflexiones que hacen que la posición final del útil instalado en el extremo del robot no sea la deseada, (2) durante el movimiento aparecen oscilaciones en el extremo del robot muy poco amortiguadas, lo cual obliga a esperar un tiempo considerable, entre la finalización de la trayectoria ordenada y la desaparición de estas vibraciones para ejecutar una acción con el útil del robot. Pronto se extiende este problema a aplicaciones terrestres. Como consecuencia de lo anterior la flexibilidad ha sido considerada tradicionalmente como un problema.

En la década de los años 1970 surge en la ciencia una nueva filosofía de robots manipuladores. Son los robots flexibles. Con ellos aparecen nuevas y novedosas aplicaciones en la industria aeroespacial puesto que robots más ligeros permiten ser utilizados empleando menor cantidad de energía. En la década de los 80 se realiza un mayor esfuerzo de investigación en este ámbito. Aparece un elevado número de publicaciones al respecto. Posteriormente, en los años 1990, se estudió la viabilidad de este tipo de estructuras en manipulación de objetos empleando un control de fuerza. Las ventajas de estos robots frente a los rígidos es precisamente su flexibilidad, que permite amortiguar el impacto con el objeto y, así mismo, el impacto se detecta instantáneamente por aparecer en la estructura un cambio en la dinámica. En estos casos de impacto el parámetro más relevante a tener en cuenta es la constante de rigidez de la estructura flexible.

Un robot flexible es aquél robot en el cual algunos de sus elementos constructivos tienen una elasticidad considerable comparada con la elasticidad de los elementos de los robots tradicionales, considerados rígidos. El empleo de robots flexibles, resulta necesario cuando se requiere bajo peso y gran alcance. La situación es típica en manipuladores espaciales, pero también se presenta en otras aplicaciones de la robótica tales como la construcción. Los robots flexibles constituyen un campo de investigación que ha despertado gran interés en los últimos años entre la comunidad científica dedicada a la robótica. Esto ha sido motivado por la necesidad, impuesta por el desarrollo de la industria aeroespacial, de construir robots más grandes y ligeros. Por otro lado, la dinámica de estos robots es muy compleja, lo que ha atraído, además, el interés de muchos investigadores de los campos de la mecánica y del control automático.

En un sentido muy amplio puede decirse que un robot flexible es aquel que incluye algún elemento con un cierto grado de flexibilidad, entendiendo por flexibilidad la propiedad mecánica de una pieza para deformarse de forma elástica ante la solicitud de una fuerza o par. Se consideran dos tipos de flexibilidad en robótica: en las articulaciones y en los eslabones. La primera de ellas aparece como consecuencia de la torsión en los elementos que conectan los actuadores o motores con los eslabones y siempre es de tipo rotacional. Se traduce en una variación de ángulos y, por ejemplo, las reductoras de los robots suelen experimentarla cuando están sometidas a movimientos rápidos.

La flexibilidad en los eslabones aparece también como consecuencia de movimientos rápidos, del transporte de grandes cargas o de la generación de grandes fuerzas o momentos en el extremo del robot resultado de la realización de tareas que impliquen contacto con el entorno. En este caso se produce una deflexión en cada eslabón que se traduce en una variación de la posición de su extremo respecto a la posición calculada geométricamente, como si fuera rígido. El fenómeno anterior combinado con la torsión que se produce en el eslabón, también genera una variación de la orientación del extremo. Sin embargo, se suponen despreciables las deformaciones producidas por los fenómenos de tracción o compresión. La flexibilidad en los eslabones es un problema sustancialmente más complejo que el de la flexibilidad en las articulaciones: por cada elemento flexible, en el primer caso aparecen deflexiones en dos direcciones espaciales además de la torsión de la barra mientras que en el segundo caso solo aparece el fenómeno de torsión.

 

Guillermo Choque Aspiazu
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Marzo 29 de 2010

Robots lego

Robots lego

La robótica es una ciencia que se encarga de estudiar el diseño y construcción de las máquinas que hoy día ayudan al ser humano en su labor productiva con tareas difíciles, riesgosas ó repetitivas, esto hablando en el campo industrial, ya que en el campo social la robótica ayuda al hombre a hacer su vida más sencilla y menos complicada. Con base en lo anterior, se puede decir que la robótica surge por necesidad y, además, porque el hombre siempre ha tenido curiosidad de saber cómo crear o imitar la vida artificial desde tiempos inmemoriales. Para mencionar toda la tecnología que se desprende de este campo, y además, con el fin de explorar la trascendencia de los autómatas dentro de la historia habría que remontarse a la antigua Grecia, ya que se creía que Prometeo había creado al hombre y a la mujer con barro y los había animado con el fuego de los cielos, igualmente en la religión cristiana Dios creó al hombre a su imagen, los programó y les dio las instrucciones a seguir. De cierta manera el hombre siempre ha justificado la existencia de vida artificial y se ha obsesionado con construir un humanoide igual a él para lograr comprender como funciona el ser humano.

Los componentes electrónicos que controlan a los robots no serían eficientes sin la ayuda de los procesos multimedia, los cuales hacen parte de los robots, ya que sin estos sería imposible lograr que los robots funcionaran adecuadamente. La palabra multimedia hace referencia a la cantidad de dispositivos electrónicos que actúan como intermediarios entre la fuente de datos y su destino final, así, tanto el sonido como el video, texto y animaciones viajan desde un proveedor de datos hasta el destino final asegurando que estos datos den la impresión de estar integrados. Para que estos datos puedan dar la impresión de estar integrados se utilizan herramientas que soportan estos formatos y los integran en una sola muestra. Se han desarrollado varios patrones para el desarrollo de este tipo de herramientas como son el hipertexto, la hipermedia y la multimedia. En los comienzos del desarrollo de lo que se conoce hoy como internet la manera de mostrar los contenidos de los datos actuaba de manera poco eficiente, ya que los datos viajaban a través de un canal de transmisión de manera ineficiente y con el hipertexto se lograba organizar dicha información proveniente del canal, en tanto que la información se trasmitía de manera desordenada el hipertexto lo organizaba mediante referencias cruzadas.

La robótica pedagógica se entiende como la disciplina que se encarga de concebir y desarrollar Robots educativos para que los estudiantes se inicien en el estudio de las ciencias y la tecnología. El desarrollo de escenarios de aprendizaje en la robótica pedagógica requiere, que los objetivos sean claros y concisos con los que el docente desea aplicar o enseñar al estudiante, que el material sea facilitado para ser manejado y observado por el estudiante, se proporcione un punto claro sobre el proceso de construcción y adquisición de conceptos, y es a través del ejercicio y la exploración que el estudiante dirige y centra sus conocimientos y observaciones; cuando este manejo es efectuado por el docente, éste debe, según Gagné, dirigir y centrar la atención del estudiante. La robótica pedagógica privilegia el aprendizaje inductivo, mediante el descubrimiento guiado lo cual asegura el diseño y experimentación, de un conjunto de situaciones didácticas que permiten a los estudiantes construir su propio conocimiento y satisfacer su propia sed de discernimiento, así como profundizar en situaciones reales y llegar a soluciones óptimas.

Para hablar de los diferentes desarrollos realizados a nivel de la robótica pedagógica es importante nombrar al iniciador del grupo, Seymour Papert, era un matemático interesado desde la década de los años 1960 por la relación entre la ciencia y su funcionamiento a través de la adquisición del conocimiento y el funcionamiento del intelecto infantil, aporto ideas donde hace énfasis en el futuro de las computadoras como promotoras del aprendizaje del ser humano. Papert, uno de los creadores de lenguaje de programación Logo, largamente empleado como herramienta para enseñar programación, es partidario del construccionismo, como cuando afirma que: “los niños crean su conocimiento de forma activa y que la educación debe de facilitarle herramientas para realizar actividades que impulsen esta actividad”. Esta afirmación logro la unión entre el “Instituto Tecnológico de Massachusetts” y “Lego”, la empresa que se dedica a la elaboración de juguetes que se enfocan en el desarrollo del potencial creativo mediante conductismo y constructivismo.

Con la evolución del Ladrillo Programable y el lanzamiento de MicroScout, que fue un micro bloque programable proyectado en el año 1999, el cual incorporaba avances tecnológicos que consistían en la capacidad de transmisión de instrucciones mediante un enlace de luz visible, que contaba con un sensor de luz incorporado y una bocina integrada. Sin embargo, el avance más significativo se vio reflejado en el CyberMaster que fue uno de los primeros desarrollos de Lego con un bloque de circuitos integrados con capacidades de programación. Su lanzamiento fue en el año 2000 en los mercados de Alemania, Australia e Inglaterra. Este conjunto venía acompañado con un control remoto, programable, encargado del envío de instrucciones al bloque, el cual producía los movimientos. Este bloque fue uno de los primeros en ser distribuidos con capacidades de comunicaciones de infrarrojo, dando origen al bloque RCX.

Poco después fue lanzado, la Scalable Processing Box la cual es una plataforma de procesamiento para aplicaciones que implican la necesidad de interfaces de software estándar, cumpliendo requisitos tanto para la docencia en robótica, como investigaciones más avanzadas mediante la implementación de módulos estructurados los cuales han podido integrar proyectos de distintos niveles y objetivos. A continuación se lanzo KiKS donde Khepera es un robot comercial miniatura del ámbito industrial con sed de experimentación en muchas áreas de robótica. KiKS, que partió como una tesis de maestría para desarrollar un software que modele y simule el comportamiento de los robots Khepera. Hoy se encuentra disponible bajo licencia Open Source, donde su autor explica brevemente que si se hacen modificaciones al código fuente se sugiere enviarle los detalles.

En su versión comercial Lego libero el sistema “Lego Mindstorms”, que consiste en un juego de robótica para niños fabricado por la empresa Lego, el cual posee elementos básicos de las teorías robóticas, como la unión de piezas y la programación de acciones, en forma interactiva. Este robot fue comercializado por primera vez en septiembre de 1998. Comercialmente se publicita como Sistema de Invención Robotizado. También se vende como herramienta educacional, como se había mencionado, que originalmente se pensó en una sociedad entre Lego y el Instituto Tecnológico de Massachusetts. La versión educativa se llama “Lego Mindstorms para Escuelas” y viene con un software de programación basado en la interfaz gráfica de usuario de Robolab. Lego Mindstorms puede ser usado para construir un modelo de sistema integrado con partes electromecánicas controladas por computadora. Prácticamente todo puede ser representado con las piezas tal como en la vida real, como un elevador o robots industriales. Lego Mindstorms fue uno de los resultados de la fructífera colaboración entre empresa y universidad. Esta asociación se emplea como ejemplo de relación entre la industria y la investigación académica que resulta muy beneficiosa para ambos socios.

El paso de programar una computadora que se conectaba a una construcción Lego, a manera de un bloque de esa construcción, era una idea natural que se estudió durante largo tiempo. Desde principios de los años 1990 se empezó a investigar esta posibilidad. Sin embargo el proyecto tuvo que esperar a que el mercado fuera propicio. Por una parte, el costo de la tecnología era demasiado alto en un principio. Por otra, el bloque se programaría desde una computadora, y por esas fechas las computadoras no estaban tan extendidas como lo estaban ocho años más tarde, lo que afectaría negativamente a la demanda. Hubo que esperar un lustro hasta que las condiciones fueran las apropiadas y decidieran empezar seriamente el desarrollo de lo que acabaría siendo el bloque RCX, un bloque de Lego que contaba con un microcontrolador, y que constituye el corazón del producto Mindstorms. De esta forma las construcciones Lego pasaban de ser estructuras estáticas a máquinas dinámicas que interactúan con el mundo. Por otra parte, mientras que en muchos casos los productos Lego proporcionaban las piezas necesarias para construir algo con un objetivo fijo, como un tren o un puente, lo que permite al estudiante “aprender haciendo”, en el desarrollo del nuevo bloque se siguió en cambio la filosofía de Papert y Resnick de fomentar el “aprender diseñando”, y tratar de dejar más abiertas las posibilidades.

 

Guillermo Choque Aspiazu
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Octubre 19 de 2009

Olfato artificial

Olfato artificial

Los seres vivos son máquinas complejas, dotadas de una gran variedad de instrumentos de medición, de análisis, de recepción de estímulos y de reacción y respuesta. Los cinco sentidos, esas ventanas que conectan a las personas con el mundo exterior, y a través de las cuales se percibe importante información sobre todo cuanto rodea a las personas, permiten ejercer capacidades de selección autónomas en el proceso de la información. Así, a un ser humano no le cuesta ningún esfuerzo identificar y evaluar las cosas por medio de sus percepciones sensoriales en combinación con su memoria. De los cinco sentidos de las personas, la vista, el oído y el olfato, trabajando por separado o en combinación constituyen literalmente la única conexión de los seres humanos con el mundo, una conexión que se erige como el gran misterio a desvelar por la ciencia actual.

Crear máquinas que se parezcan a cerebros humanos, capacitadas para observar un comportamiento inteligente, es el campo de investigación de la robótica y la inteligencia artificial. Dentro de ese comportamiento inteligente se encuentran tanto las actividades relacionadas con el raciocinio, es decir, planeamiento y estrategia, como con la percepción y reconocimiento de imágenes, sonidos, olores, etc. De este modo, las llamadas tecnologías bioinspiradas nacen de la aplicación de conceptos de inspiración biológica al diseño de sistemas analíticos. El objetivo, en suma, es comprender e imitar la forma en que los sistemas biológicos aprenden y evolucionan. Para diseñar estos sistemas, además de utilizar la computación tradicional numérico-simbólica, se usan otras metodologías tales como las redes neuronales artificiales, la lógica difusa y la computación evolutiva. Por ello, este intento de emulación del funcionamiento de los seres vivos se debe apoyar en un entorno multidisciplinar que agrupe a profesionales químicos, físicos, informáticos, electrónicos, microelectrónicos y a otros de áreas de la ingeniería, como la biomédica o la neuromórfica, aspirando a conseguir auténticos sistemas electrónicos dotados de sentidos artificiales que permitan facilitar un sinfín de tareas y resolver problemas hasta ahora no resueltos.

Aunque no tan desarrollados como los sistemas inteligentes de visión y de reconocimiento de voz, los sistemas bioinspirados comprenden también los dispositivos conocidos como narices y lenguas electrónicas que se empezaron a investigar en la década de los ochenta. El olfato humano está dotado de decenas de millones de receptores y, aunque tiene una cierta limitación, la capacidad para distinguir olores es muy elevada siendo, además, sujeta a un proceso de aprendizaje por medio del refinamiento. Estos receptores generan una especie de códigos olfativos para una gran variedad de olores que son transmitidos y almacenados en el cerebro. Por otro lado, el olor está constituido por una multitud de compuestos gaseosos con propiedades distintas, lo que añade aún más dificultades al proceso de imitación de la capacidad olfativa humana.

La llamada nariz electrónica está formada por una red de sensores químicos que detecta esos compuestos gaseosos y los identifica a través de un sistema inteligente que trata las señales y deduce las características del olor medido. En el tratamiento de los datos intervienen distintos elementos, como el análisis estadístico de los olores, correlación con los datos de la emisión y discriminación de los diferentes olores. En la actualidad, tanto los mecanismos de captación de muestras, los sensores o hardware del sistema, como el software encargado de transformar las señales captadas, programas con capacidad de aprendizaje basados en redes neuronales y lógica difusa, están lo suficientemente evolucionados para que las narices electrónicas tengan ya aplicaciones en una amplia variedad de sectores y sean comercializadas por un buen número de compañías.

Los orígenes de la nariz electrónica se remontan a los años 1960, cuando la compañía Bacharac Inc., construyó un dispositivo conocido con el nombre de Sniffer, el cual constaba de un solo sensor de gas y por lo tanto, no se consideró como una nariz electrónica propiamente dicha. En la década de los años 1980, surgen dos grupos de investigadores, en la Universidad de Warwick en Gran Bretaña y en el Laboratorio Nacional Argonne de los Estados Unidos. Krishna Persaud y George Dodd, realizaron la primera publicación relacionada con las narices electrónicas el año 1982, orientaron sus estudios en entender los procesos del olfato biológico, utilizando un conjunto de sensores semiconductores de óxidos metálicos, y luego ampliaron su investigación a sensores basados en polímeros conductores, mientras que, el otro grupo propuso un aparato para detectar, identificar y medir una amplia variedad de productos químicos y mezclas transportadas por ferrocarriles, barcos y camiones. Posteriormente en Japón se comenzó a investigar la frescura de los pescados utilizando matrices de sensores semiconductores de óxido metálico. Por lo tanto, en los tres continentes se inició el desarrollo de la tecnología de matrices de sensores olfativos aproximadamente en los años 1980. Es precisamente en esta época cuando el concepto de nariz electrónica como sistema inteligente aparece realmente. Una de sus primeras y más populares definiciones es la que establecen Gardner y Barlett el año 1999: “Instrumento que comprende una agrupación de sensores químicos con sensibilidades parcialmente solapadas junto a un sistema de reconocimiento de patrones, capaz de analizar y reconocer aromas simples o complejos”.

La idea misma de nariz electrónica se base en intentar imitar el sentido de olfato de los humanos, usando una matriz de sensores de gases que simula los receptores en la nariz y unos algoritmos de procesamiento de señales que intentan simular el funcionamiento del cerebro en la tarea de reconocer y cuantificar olores. De todos modos, hay que reconocer que hoy en día la realidad de narices electrónicas se aleja bastante del sistema biológico del olfato, uno de los sistemas más complejos del organismo humano. El sentido del olfato es uno de los más antiguos y primitivos de los sentidos, pero nadie sabe todavía con exactitud cómo funciona. Lo que sí se sabe, es que en seres humanos el sistema olfativo es controlado por cerca de cuatrocientos genes, y en perros con cerca de mil genes, lo que es testamento de su complejidad. Hasta ahora, la barrera principal para estudiar el sentido del olfato es la capacidad de crear suficientes receptores artificiales, y poder purificarlos para asegurarse de su homogeneidad, pero ahora, gracias al avance realizado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, este paso ahora es posible lo que abre las puertas a un torrente de investigaciones que sin duda traerán narices artificiales de un nivel inimaginable.

Una “nariz electrónica” es un instrumento que puede oler, es decir, es capaz de realizar análisis cualitativos o cuantitativos de una mezcla de gases, vapores y olores. La nariz electrónica es un instrumento de olfato artificial que permite distinguir y reconocer aromas utilizando sensores de gas. Un dispositivo de este tipo tiene al menos cuatro partes con diferentes funciones: la primera realiza la adecuación de la mezcla gaseosa y el muestreo, el conjunto de sensores de gas hace la detección, la electrónica de control se dedica a la gestión del conjunto de sensores y adecuación de la señal, y finalmente, la computadora, con adecuados algoritmos de clasificación de patrones, extrae los rasgos característicos o “huellas” de cada aroma y presenta los resultados en la interfaz con el usuario.

En la práctica, el proceso de identificación de olores comprende tres estados durante el muestreo del olor: el primero es de limpieza de la cámara de medición y sensores mediante enjuagues realizados con “aire limpio” para barrer las moléculas de mediciones anteriores, el segundo es la toma de la muestra, en la que se reciben en la cámara cantidades controladas de “aire con olor” exponiendo a los sensores al mismo, y finalmente, un segundo enjuague de la cámara y sensores con “aire limpio” previo a la próxima toma de muestras. Es necesaria la estabilización térmica de la muestra y de la cámara en todas estas etapas. Del mismo modo, debido a que la humedad afecta tanto la medición como la muestra misma, sólo se deben comparar resultados tomados en condiciones de humedad y temperatura normalizadas.

Parece ser que pasar de la percepción de olores a la emisión de los mismos por parte de dispositivos es sólo cuestión de tiempo, ya que muy pronto la computadora conectada a Internet empezará a emitir olores. Esa es al menos la propuesta de varias empresas, como DigiScents, TriSenx o AromaJet, que trabajan en la “digitalización” de los aromas. Para conseguir su objetivo se basan en tecnologías bastante similares a las narices electrónicas, es decir, haciendo uso de los mismos elementos: sensores, análisis de datos, etc. con la salvedad de que la computadora deberá ir provista de una paleta de esencias para identificar el olor emitido.

 

Guillermo Choque Aspiazu
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Agosto 10 de 2009
Robots ápodos

Robots ápodos

La robótica es la ciencia encaminada a diseñar y construir aparatos y sistemas capaces de realizar tareas propias de un ser humano. Se dice que la robótica es la ciencia y la tecnología de los robots. Se ocupa del diseño, manufactura y aplicaciones de los robots. La robótica combina diversas disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial y la ingeniería de control. Otras áreas importantes en robótica son el álgebra, los autómatas programables y las máquinas de estados.

En la robótica existen dos grandes áreas: manipulación y locomoción. La manipulación es la capacidad de actuar sobre los objetos, trasladándolos o modificándolos. Esta área se centra en la construcción de manipuladores y brazos robóticos. La locomoción es la facultad de un robot para poder desplazarse de un lugar a otro. Los robots con capacidad locomotiva se llaman robots móviles. Al interior de la locomoción existen tres puntos claves: (1) Desplazarse un incremento en línea recta. La complejidad depende del tipo de robot. Es muy sencillo que un robot con ruedas avance en línea recta, pero no es tan sencillo que lo haga un robot con patas. (2) Giros y traslaciones en múltiples direcciones. Nuevamente depende del tipo de robot. El hacer que un robot ápodo pueda desplazarse por un plano es más complejo que en un robot con ruedas. (3) Planificación de trayectorias y navegación. Que el robot sepa qué camino elegir para llegar a un determinado lugar.

Según los efectores empleados para conseguir la locomoción, tradicionalmente se ha establecido la siguiente clasificación: (1) Con ruedas. Los efectores son ruedas. Por ejemplo, el microbot Tritt, tiene tres ruedas y dos motrices. (2) Con orugas. Por ejemplo los robots tipo “carro de combate”, como el robot de docencia, desarrollado en la Universidad Autónoma de Madrid. (3) Con patas. Cualquier robot que use patas para conseguir la locomoción: perros, gatos, hexápodos, arañas, etc. Normalmente se trata de robots bio-inspirados. Por ejemplo el robot perro Puchobot, o el hexápodo Sheila. (4) Otros. Aquí se sitúa cualquier otro tipo de locomoción no clasificable en ninguna de las anteriores categorías, como por ejemplo el robot gusano Cube 2.0.

Según cómo se realice la locomoción, existen dos tipos: (1) Locomoción estáticamente estable. El robot debe tener suficientes puntos de apoyo, que conforman el polígono de apoyo. El centro de gravedad debe caer siempre dentro de este polígono. (2) Locomoción dinámicamente estable. El robot tiene que ser estable en movimiento, no caerse, aunque puede no ser estable en reposo, como por ejemplo un robot unípodo. Este tipo de locomoción requiere más control pero aporta mayor velocidad.

Uno de los grandes retos en el área de la locomoción es el de desarrollar un robot que sea capaz de moverse por cualquier tipo de entorno, por muy escarpado y complicado que sea. Esto tiene especial interés en la exploración de otros planetas, en los que no se sabe qué tipo de terreno se puede encontrar. Se pueden realizar estudios previos y diseñar un robot específico para un determinado terreno. Pero lo interesante es conseguir un robot versátil que pueda moverse por la mayor cantidad de terrenos posibles.

Los robots ápodos son robots que no están dotados de partes móviles diferenciadas de su tronco, como pueden ser piernas o patas. Son robots ápodos los que imitan el comportamiento de serpientes, gusanos, caracoles y otros organismos vivos que emplean su propio tronco central para desplazarse. En los últimos años, los robots ápodos han cobrado interés en el área de robótica móvil. Esto se debe a que este tipo de robots, que se valen únicamente de su cuerpo para moverse, tienen un sistema de locomoción robusto para contender con ambientes con superficies irregulares. Los robots ápodos están frecuentemente inspirados en la naturaleza, es decir sus diseñadores se basan en los patrones de movimiento de los gusanos y serpientes cuya estructura se compone de múltiples segmentos que permiten el movimiento ondulatorio. De manera análoga, los robots ápodos se construyen a partir de módulos similares entre sí, que en su conjunto forman el cuerpo del robot.

Uno de los primeros robots ápodos conocidos fue un prototipo de robot serpiente diseñado por Shigeo Hirose el año 1993. A partir de este trabajo se han desarrollado diversos robots similares. Howie Choset y su equipo han trabajado durante los últimos doce años en el desarrollo de robots tipo serpiente. González Gómez y sus colegas presentan un prototipo de robot ápodo modular denominado “Cube revolutions”, constituido por la unión en cadena de ocho módulos iguales. Este robot se desplaza en línea recta por medio de ondas que recorren su cuerpo desde la cola hasta la cabeza. El robot calcula las posiciones de las articulaciones a partir de los parámetros de la onda, es decir, forma, amplitud y longitud. Finalmente Alarcón Ávila y sus colaboradores presentan el diseño y la construcción de un robot ápodo capaz de operar de manera autónoma con base en sus percepciones locales.

La locomoción de un gusano se basa en los músculos que se contraen y expanden, permitiéndole avanzar o retroceder. Para lograr esta locomoción, un robot ápodo debe tener una morfología que le permita contraerse y expandirse. Se diseñaron módulos para la composición del cuerpo del robot de manera que tuvieran dos características esenciales: (1) rigidez capaz de soportar toda la estructura del robot y, (2) flexibilidad para permitir la contracción y expansión del robot. El cuerpo del robot se compone de los siguientes tres elementos: (1) Cabeza. Es la parte más ligera del cuerpo del robot, debe ser ligera para lograr su elevación y por consiguiente escalar objetos de una cierta altura. La cabeza está formada por un “único módulo”. (2) Cuerpo. Es la parte que da soporte y movilidad al robot, está formada por una serie de módulos idénticos unidos entre sí, lo cual permite la expansión del cuerpo del robot únicamente agregando módulos adicionales de este tipo. (3) Cola. Es la parte más pesada del robot, permite el impulso al robot hacia adelante por medio de la contracción y expansión. Cada uno de estos módulos tiene una forma cilíndrica para permitir al robot mantenerse en equilibrio. Para aumentar la estabilidad, cada uno de los módulos tiene además un soporte plano en la parte inferior.

Para formar la estructura completa del robot se unen un módulo tipo cabeza dos módulos tipo cuerpo y un módulo tipo cola. Este tipo de configuración modular permite expandir el tamaño del robot únicamente agregando módulos adicionales del tipo cuerpo a la estructura completa del robot. Puede apreciarse también que entre cada par de módulos se encuentran dos enlaces, llamados articulaciones. Estas articulaciones permiten la unión y movilidad de los módulos de robot. Con estas articulaciones se puede imitar la contracción y expansión de un gusano. Dos articulaciones conectadas al mismo módulo tienen la misma función y se mueven de manera idéntica por lo que se consideran como una sola articulación. El robot tiene en total tres grados de libertad.

En los últimos años, los robots ápodos han cobrado interés en el área de la robótica móvil. Esto se debe a que este tipo de robots, que se valen únicamente de su cuerpo para moverse, tienen un sistema de locomoción robusto para contender con ambientes con superficies irregulares. Los robots ápodos están frecuentemente inspirados en la naturaleza, es decir., sus diseñadores se basan en los patrones de movimiento de los gusanos y serpientes cuya estructura se compone de múltiples segmentos que permiten el movimiento ondulatorio. De manera análoga, los robots ápodos se construyen a partir de módulos similares entre sí, que en su conjunto forman el cuerpo del robot.

El control en los robots ápodos se vuelve una tarea complicada conforme el número de módulos que lo conforman aumenta, esto debido a que los movimientos de las articulaciones que los unen deben sincronizarse adecuadamente. Una solución para generar el movimiento ondulatorio, es generar ondas que recorran el cuerpo del robot con la ayuda de algún modelo como la generación de una onda sinusoidal. Esta solución tiene la limitante de que cada vez que son agregados o eliminados módulos al robot, y cada vez que el robot enfrenta ambientes cuyas condiciones varían, los parámetros de dicho modelo deben ser redefinidos. Por ello, es importante dotar al robot de mecanismos de aprendizaje que le permitan contender con cambios en su estructura y en el ambiente que lo rodea.

 

Guillermo Choque Aspiazu
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Julio 13 de 2009
Robótica modular reconfigurable

Robótica modular reconfigurable

En el término robot confluyen las imágenes de máquinas para la realización de trabajos productivos así como de imitación de movimientos y comportamientos de los seres vivos. Desde la antigüedad, el hombre ha sentido fascinación por las máquinas que imitan la figura y los movimientos de seres animados, y existe una larga tradición de autómatas desde el mundo griego hasta los actuales días. El término “robot” aparece por vez primera en la obra dramática “Rossum’s Universal Robots” de Karel Capek en el año 1921, a partir de la palabra checa “robota”, que significa servidumbre o trabajo forzado. De igual manera los avances logrados en la mecánica y en el control de máquinas nutren considerablemente el paso a dispositivos más sofisticados. Es a principios del siglo veinte cuando se pasa de máquinas que tienen como objetivo exclusivo la amplificación de la potencia muscular del hombre, sustituyéndolo en su trabajo físico, a máquinas o instrumentos que son también capaces de procesar información, complementando, o incluso sustituyendo al hombre en algunas actividades intelectuales. La robótica es la ciencia y la tecnología de los robots. Se ocupa del diseño, manufactura y aplicaciones de los robots. La robótica combina diversas disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial y la ingeniería de control. Otras áreas importantes en robótica son el álgebra, los autómatas programables y las máquinas de estados. El término robótica es acuñado por Isaac Asimov, definiéndola como la ciencia que estudia a los robots. Asimov creó también las “Leyes de la Robótica”.

En la robótica existen dos grandes áreas: manipulación y locomoción. La manipulación es la capacidad de actuar sobre los objetos, trasladándolos o modificándolos. Esta área se encuentra centrada en la construcción de manipuladores y brazos robóticos. La locomoción es la facultad de un robot para poder desplazarse de un lugar a otro. Los robots con capacidad locomotiva se llaman “robots móviles”. Uno de los grandes retos en el área de la locomoción es el de desarrollar un robot que sea capaz de moverse por cualquier tipo de entorno, por muy escarpado que sea. Esto tiene especial interés en la exploración de otros planetas, en los que no se sabe qué tipo de terreno se puede encontrar.

Los robots modulares están compuestos por muchos bloques constructores de entre un limitado repertorio. Estos bloques cuentan con mecanismos de sujeción que les permiten acoplarse entre sí y transmitir fuerzas mecánicas y señales eléctricas. Estos bloques constructores normalmente son unidades que aportan algún actuador, o unidades especializadas: un gripper, ruedas, cámaras, abastecimiento de energía, etc. Existe la posibilidad de contar con un solo tipo de unidades en un sistema homogéneo, o con varios tipos de ellas en un sistema heterogéneo. Con un sistema homogéneo se obtiene simplicidad, pero con un sistema heterogéneo se hace más extenso el rango de actividades realizables, y se puede manejar especialización entre los módulos.

El ingeniero mecánico Mark Yim es considerado como el principal investigador y padre de la robótica modular configurable. Yim realizó su tesis doctoral en la Universidad de Stanford entre los años 1992 a 1994. En esta tesis se introducen los conceptos de robótica modular reconfigurable. Además se realiza lo siguiente: taxonomía de las distintas formas de locomoción, diseño y construcción del robot Polypod, capaz de generar todas las clases de locomoción estáticamente estable, evaluación y comparación de los distintos modos de locomoción de Polypod y finalmente las limitaciones en cuanto al número de módulos.

Las dos características centrales de estos robots son: (1) Modularidad. Es una característica que consiste en que los robots están construidos a partir de componentes estandarizados que se pueden intercambiar. Según el número de módulos distintos, el robot puede ser 1-modular, 2-modular, etc. Los investigadores del Laboratorio “Hirose & Yoneda” fueron pioneros en el estudio y construcción de robots tipo serpiente, que están constituidos por módulos similares. Un prototipo es el ACM III, está compuesto por 20 módulos iguales, cada uno de los cuales dispone de un servomecanismo para girar a derecha o izquierda con respecto al módulo siguiente. El contacto con el suelo se realiza mediante unas ruedecillas, que permiten que los módulos se deslicen hacia delante fácilmente, ofreciendo mucha resistencia al deslizamiento lateral, lo que permite que la serpiente se impulse hacia adelante. La cabeza describe un movimiento sinusoidal, que se va propagando hacia el resto de articulaciones a una velocidad constante. Las características del ACM III son: (a) Velocidad: 40cm/sec. (b) Longitud: 2m. (c) Número de secciones: 20. También se ha empleado robots serpiente para crear manipuladores, como el SG, constituidos también por módulos iguales. Se trata de una “pinza” o “agarrador mecánico” que adopta la forma del objeto que va a coger, creando una fuerza que se reparte uniformemente por todo el objeto. El prototipo es capaz de levantar cuerpos humanos, sin que estos sufran ningún daño. Si se utilizasen los manipuladores clásicos, como pinzas, podrían hacer daño al humano en las zonas de contacto. (2) Reconfigurabilidad. Es la habilidad para combinar los componentes físicos del robot. La reconfigurabilidad puede ser: (a) Dinámica, cuando el robot se autoreconfigura. (b) Manual, cuando otro agente reconfigura el robot. Un ejemplo de reconfiguración son los brazos robóticos. El RMMS es un brazo robot que es capaz de recalcular los parámetros dinámicos, cuando el usuario cambia los módulos de lugar. Un brazo robot industrial que disponga de diferentes manipuladores situados en una estantería, y que sea capaz de dejar uno y colocar otro, sería un ejemplo de robot reconfigurable dinámicamente.

Los robots modulares reconfigurables presentan tres características importantes: (1) Versatilidad, al estar constituidos por módulos, pueden adoptar prácticamente cualquier forma por lo que se pueden emplear para múltiples tareas diferentes. Esta característica tiene especial importancia en la locomoción, puesto que permite que un robot pueda desplazarse por terrenos muy dispares. (2) Fiabilidad, debido a la alta redundancia. El sistema se va degradando poco a poco según se van fallando los módulos. (3) Bajos costos para varios módulos diferentes, con economía de escala.

Existen tres tipos de robots reconfigurables, según la manera en que cambian su forma: (1) Robots tipo cadena. Que consiste en robots que se unen y separan a través de cadenas de módulos. Un ejemplo de este tipo de robots son polypod y polybot. (2) Robots tipo retículo. En este tipo de robots los módulos se mueven dentro de un retículo en tres dimensiones. Esta tarea es similar a cómo se mueven los átomos en un cristal. (3) Autoreconfiguración móvil. En este tipo de robot los módulos se separan y se mueven independientemente hasta unirse a otro módulo en otra parte del robot. Son bastante complejos y se encuentran poco estudiados.

Los robots modulares autoconfigurables pueden ser agrupados en varios conjuntos atendiendo al tipo de ensamblado geométrico que realizan. Algunos sistemas son híbridos entre dos o más grupos, estos grupos son los siguientes: (1) Estructuras reticulares. Las unidades se encuentran acomodadas bajo algún patrón tridimensional, como una red cúbica o hexagonal. El control y el movimiento es ejecutado en paralelo. Estas estructuras en red ofrecen una representación computacional bastante simple y puede ser escalada fácilmente hacia sistemas más complejos. (2) Estructuras en cadena o en árbol. Las unidades se conectan entre sí formando una cadena, varias cadenas pueden estar ensambladas entre sí a través de nodos para formar árboles. Una estructura en cadena puede alcanzar cualquier punto en el espacio, sin embargo son computacionalmente más difíciles de representar y de analizar.

Los robots modulares autoconfigurables también pueden clasificarse, atendiendo a la manera en que ocurre la reconfiguración, en los siguientes elementos: (1) Reconfiguración determinística. Consiste en moverse hacia donde se encuentra el objetivo. Las posiciones y orientaciones de los módulos “objetivo” son conocidas en todo momento. De esta manera los tiempos de reconfiguración pueden ser asegurados. (2) Reconfiguración estocástica. Consiste en unidades que se mueven usando procesos estocásticos, tales como el movimiento Browniano. El ensamblado de las unidades solo puede darse cuando se encuentran suficientemente cerca. Los tiempos de ensamblado sólo pueden asegurarse estadísticamente.

 

Guillermo Choque Aspiazu
www.eldiario.net
Abril 13 de 2009
Robótica de Enjambre

Robótica de Enjambre

Un robot está definido como una entidad hecha por el hombre con una determinada anatomía y una conexión de retroalimentación inteligente entre el sentido y la acción directa que no esta bajo el control humano. Sin embargo, se ha avanzado mucho en el campo de los robots con inteligencia alámbrica. Las acciones de este tipo de robots son generalmente llevadas a cabo por máquinas que mueven extremidades o impulsan al robot. Así mismo, el término robot ha sido utilizado como un término general que define a una máquina mecánica o autómata, que imita a un animal, ya sea real o imaginario, pero se ha venido aplicado a muchas máquinas que reemplazan directamente a un humano o animal en el trabajo o en el juego. Esta definición podría implicar que un robot es una forma de biomimetismo.

Cuando se observa un enjambre, es posible darse cuenta que es una organización sofisticada y compleja. Además estas sociedades no cuentan con jefes, ni lideres. Las organizaciones de enjambres trabajan en grupos sociales para sacar adelante una tarea, está labor se conoce como inteligencia colectiva. De manera absolutamente natural, una colonia de hormigas puede resolver problemas que individualmente no podría resolver. Las hormigas de manera individual no pueden resolver inconvenientes pero en grupo si, respondiendo con rapidez y eficacia a su entorno, haciendo uso de la inteligencia colectiva. En la inteligencia de enjambres, se debe seguir reglas simples para que el comportamiento del grupo arroje resultados sorprendentes y altamente efectivos. Si la sociedad boliviana tomara algunas pautas de las colonias de enjambres, podría resolver problemas de manera simple, aquellos que por no trabajar en equipo se convierten en grandes y complejos problemas. Para que un enjambre sea exitoso se aplican tres aspectos importantes: (1) Flexibilidad para que la colonia puede adaptarse a un entorno cambiante. (2) Robustez cuando uno o más individuos fallan o mueren, el grupo puede seguir ejecutando la tarea. (3) Auto-organización, es decir las actividades no son controladas de manera centralizada ni se supervisan localmente.

La inteligencia colectiva es una forma de inteligencia universalmente distribuida, constantemente realzada, coordinada en tiempo real, y resultando en la movilización efectiva de habilidades. La base y meta de inteligencia colectiva es el reconocimiento mutuo y enriquecimiento de individuos en vez del culto de comunidades fetichistas. Una premisa inicial se basa en la noción de una inteligencia universalmente distribuida. Nadie sabe todo, todos saben algo, todo conocimiento reside en la humanidad. No hay una provisión trascendente de conocimiento y el conocimiento es simplemente la suma de lo que saben las personas. La luz de la mente brilla aún cuando se intente persuadir a otros que no existe ninguna inteligencia: “fracaso educativo”, “corrupción repetitiva”, “autoritarismo”, “subdesarrollo”. El juicio demasiado prominente de la ignorancia se vuelve en contra de los jueces. Si uno está tentado a juzgar a alguien de ignorante, busca el contexto en el cual su conocimiento se pueda transformar en oro. El ideal de la inteligencia colectiva implica el realzamiento técnico, económico, legal y humano de una inteligencia universalmente distribuida que desata una dinámica positiva de reconocimiento y movilización de destrezas. El estudio de la inteligencia colectiva puede ser considerado propiamente como un subcampo de la sociología, de las ciencias de la computación y del comportamiento de masas, un campo que estudia el comportamiento colectivo desde el nivel de quarks hasta el nivel de las bacterias, plantas, animales y sociedades humanas.

La inteligencia de enjambre es una rama de la inteligencia artificial que se basa en el comportamiento colectivo de sistemas descentralizados y auto-organizados. Los sistemas de inteligencia de enjambre están constituidos típicamente de agentes simples que interactúan entre ellos y con su ambiente. Los agentes siguen reglas simples y, aunque no existe una estructura de control que dictamine el comportamiento de cada uno de ellos, las interacciones locales entre los agentes conducen a la emergencia de un comportamiento global complejo. En la naturaleza se pueden observar varios ejemplos que incluyen colonias de hormigas, alineamiento de aves en vuelo, comportamiento de rebaños, crecimiento bacteriano y comportamiento de cardúmenes. Por su parte la robótica de enjambre es un nuevo enfoque de la coordinación de sistemas multi-robóticos que consiste de un gran número de robots físicos simples. Se supone que un comportamiento colectivo deseado emerge de las interacciones entre los robots y de las interacciones de los robots con el medio ambiente. Este enfoque emerge del campo de la inteligencia artificial colectiva, como también de los estudios biológicos de los insectos, hormigas y otros campos de la naturaleza donde ocurre el comportamiento colectivo.

La investigación en robótica de enjambre está centrada en el estudio del diseño de robots, su cuerpo físico y sus comportamientos para el control. Está inspirado pero no limitado al comportamiento emergente observado en los insectos sociales, denominado inteligencia colectiva. Reglas individuales relativamente simples pueden producir un gran conjunto de comportamiento colectivo complejo. Un componente clave es la comunicación entre los miembros del grupo que construyen un sistema con una constante retroalimentación. El comportamiento colectivo involucra cambios constantes de los individuos en cooperación con otros, como también con el comportamiento del grupo en su conjunto. De manera diferente a los sistemas robóticos en general, la robótica de enjambre hace énfasis en un gran número de robots y promociona la escalabilidad, como en el caso de utilizar solo comunicación local. Dicha comunicación local por ejemplo puede ser lograda mediante los sistemas de transmisión local tales como la frecuencia de radio o los infrarrojos.

El video móvil es una herramienta esencial para estudiar de manera sistemática el comportamiento colectivo, aun cuando otros métodos móviles se encuentren disponibles. De manera reciente el famoso laboratorio de robótica “Bristol” desarrollo un sistema de posicionamiento ultrasónico para la investigación de las sociedades colectivas, con solamente las características de los miembros individuales de los enjambres. Tanto la miniaturización y los costos son factores claves en la robótica de enjambre. Estos factores constituyen las restricciones en la construcción de grandes grupos de robots; por consiguiente debe ser enfatizada la simplicidad del conjunto de miembros individuales. Esto puede motivar un enfoque de inteligencia colectiva para lograr un comportamiento significativo en el grado colectivo, en lugar de fomentar solamente el grado individual.

En lo que actualmente trabajan los investigadores es en enjambres de hasta 10000 robots miniatura que puedan trabajar juntos como una sola forma de vida artificial. El enjambre robótico es un campo de estudio basado en la suposición de que robots simples e individuales pueden interactuar y colaborar para formar un único organismo artificial que cuente con una mayor y más avanzada inteligencia colectiva. Como parte de una colaboración internacional llamada proyecto “organismos robot evolucionados en simbiosis”, investigadores de la Universidad de York se encuentran desarrollando un sistema inmunológico artificial que pueda proteger tanto a los robots individuales que forman parte del enjambre, como al organismo más grande que los acoge. Los investigadores esperan que el sistema inmunológico artificial sea capaz de detectar problemas y hacer recomendaciones a un sistema de control de más alto nivel, para que este ejecute acciones correctivas parecidas al modo de funcionamiento del sistema inmunológico adaptativo de las personas cuando actúan protegiendo la salud del cuerpo.

En caso de que se detectase algún fallo, los robots individuales serían capaces de compartir la información unos con otros dentro del enjambre. Luego el enjambre, como un todo, sería capaz de evolucionar en presencia de nuevos problemas, justo como el sistema inmunológico natural, que es capaz de enfrentarse a patógenos poco familiares. Este enfoque multi-robótico de aproximación a la inteligencia artificial es relativamente nuevo, y se ha desarrollado a partir de estudios del comportamiento de enjambres de insectos tales como las hormigas. Los enjambres robóticos podrían aplicarse a tareas del mundo real tales como rescatar a víctimas de terremotos, se podría soltar a un enjambre de robots en un edificio colapsado por el efecto de un terremoto, y entonces se organizarían equipos para levantar escombros o para buscar a los supervivientes.

 

Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net/
Enero 12 de 2009

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