Robotica de Navegadores. Un enfoque desde las Tecnologías

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UN ENFOQUE DESDE
LAS TECNOLOGÍAS INTELIGENTES
ALEJANDRO ARMANDO HOSSIAN
RAMÓN GARCÍA MARTÍNEZ
LORENA VERÓNICA OLIVERA
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Robótica de navegadores
Hossian, Alejando
Robótica de Navegadores : un enfoque desde las tecnologías
inteligentes / Alejandro Hossian ; Ramón García Martínez ;
Lorena Verónica Olivera. - 1a ed. - Ciudad Autónoma de Buenos
Aires : Nueva Librería, 2014.
332 p. ; 24 x 17 cm
ISBN 978-987-1871-24-7
1.Robótica.2.InteligenciaArtificial.3.ProgramadeNavegación.
I. García Martínez, Ramón II. Olivera, Lorena Verónica III. Título
CDD 629.892
2014
Nueva Librería S.R.L.
Estados Unidos 301
(1101) Buenos Aires, Argentina
Tel.: (54 11) 4362.9266
Fax: (54 11) 4362.6887
[email protected]
www.nuevalibreria.com.ar
ISBN 10: 987-1871-24-4
ISBN 13: 978-987-1871-24-7
Reservados todos los derechos. Ninguna parte del material cubierto
por esta obra puede ser reproducida, almacenada en un sistema de
informática o transmitida de cualquier forma o por cualquier método
electrónico, mecánico, fotocopia, grabación u otros métodos sin el
expreso permiso escrito del autor.
Hecho el depósito que marca la Ley 11.723.
ImpresoenArgentina-PrintedinArgentina
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Índice
PRÓLOGO DE LOS AUTORES
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Capítulo 1: Introducción al campo de la robótica
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1.1 Antecedentes históricos
1.2 El origen de la robótica y la revolución tecnológica
1.3 Definición de robot
1.4 Estructura general de un sistema robot
1.5 Clasificación de sistemas robóticos
1.6 Referencias
17
20
28
43
44
47
Capítulo 2: Robots móviles
49
Capítulo 3: Introducción a las tecnologías Inteligentes
77
2.1 Introducción
2.2 Aspectos históricos de la robótica móvil
2.3 Tipos de robots móviles
2.4 Los robots móviles y sus modelos cinemáticos
2.5 Conclusiones
2.6 Referencias
3.1 La inteligencia humana
3.2 La inteligencia artificial
3.3 Las tecnologías inteligentes
3.4 Referencias
Capítulo 4: Introducción a las arquitecturas robóticas
4.1 Introducción
4.2 Características de una arquitectura de control en robótica móvil
4.3 Requisitos de una arquitectura de control robótica
4.4 Clasificación de las arquitecturas de control en función de sus
características reactivas
4.5 Referencias
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50
54
62
73
74
77
86
98
148
153
153
154
156
159
188
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Robótica de navegadores
Capítulo 5: Sensores para navegación robótica
5.1 Introducción
5.2 Sensores
5.3 Arquitectura de robots para adquisición sensorial
5.4 Estructura de hardware
5.5 Conclusiones
5.6 Referencias
191
191
204
216
220
221
222
Capítulo 6: Introducción a las redes neuronales artificiales 225
6.1 Introducción
6.2 Fundamentos de las redes neuronales
6.3 Aspectos valorativos de la tecnología de las RNa
6.4 Conclusiones
6.5 Referencias
Capítulo 7: Casos de experimentación
7.1 Casos de experimentación con RNA
7.2 Experimentación con RNA
7.3 Comentarios finales
7.4 Referencias
225
226
274
280
282
285
285
287
307
308
Capítulo 8: Consideraciones Finales y perspectivas futuras 311
8.1 Comentarios acerca de la estructura de la obra
8.2 Comentarios finales
8.3 Referencias
Índice Honomástico
311
321
323
325
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PRÓLOGO DE LOS AUTORES
He fallado una y otra vez en mi vida, por eso he conseguido el éxito.
Michael Jordan (Deportista estadounidense)
Sin sacrificio no hay beneficio.
Anónimo
El sabio no dice todo lo que piensa, pero siempre piensa todo lo que dice.
Aristóteles (384 AC-322 AC) Filósofo griego
La robótica constituye en la actualidad un campo disciplinar en franco desarrollo y que
se aplica en diferentes áreas; tales como la industria automotriz, militar, la medicina,
servicios, vigilancia y seguridad, limpieza profesional, mecanización de procesos y muchas más. Tal como se sugiere en la literatura, dentro del campo de la robótica se pueden distinguir dos vertientes: la “robótica industrial” (por lo general vinculada con el
estudio de los manipuladores robóticos) y a la “navegación robótica” (por lo general
vinculada con el estudio de los robots móviles).
Es importante destacar que en los últimos tiempos, ambas disciplinas no se consideran
como que una excluye a la otra; sino que por el contrario, la necesidad de extender el
campodeaplicacióndelarobóticaclásicaofija,dondeelescenarioprincipalenelcuál
elrobotdesarrollasutareaconsisteesencialmenteenunacéluladetrabajofija,originó
la aparición de sistemas robóticos que posean un importante grado de movilidad en su
entorno de operación, para de esta manera, incrementar su espacio de trabajo.
A los efectos de esclarecer los conceptos expuestos; si se piensa en un entorno industrial clásico, equipado con sistemas robóticos donde los distintos elementos con los que
interactúa el robot se encuentran dentro de su espacio de trabajo, o bien se dispone de
cintas transportadoras u otros mecanismos que permiten trasladar dichos elementos
hasta dejarlos dentro del radio de acción del robot; entonces no sería necesario desplazaralrobotparaqueestelleveacaboeltrabajo.Entalsentidoesposiblefigurarse
una planta automotriz, donde muy posiblemente se disponga de una guía sobre la cual
se va desplazando el chasis de un cierto vehículo, el cual va pasando a través de las
diferentescélulasfijasdondelosrobotspuedenrealizandiversastareas,talescomo
soldar, ensamblar, pintar, etc; siempre en la misma posición.
Siguiendo esta línea de análisis, si se tienen en cuenta los sucesivos avances en materia tecnológica acompañado de un mercado con una demanda cada vez más exigente,
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Robótica de navegadores
diferentes sistemas robóticos dotados de un mayor grado de movilidad comenzaron a
tener un mayor protagonismo en los entornos industriales, así como también en otros
ambientes de desarrollo. Por consiguiente, este hecho tan singular ha originado un
significativocambiodeparadigmaenloqueserefierealusodeestossistemas;habida
cuenta de que los mismos han logrado incrementar su espacio de trabajo, optimizando
en forma notable su desempeño.
En virtud de los conceptos expuestos, muchas de las diferentes líneas de investigación
que se han ido desarrollando en la línea de tiempo, estuvieron focalizadas en optimizar la performance de los robots navegadores; así como también, en dotar a estos
sistemas de un adecuado grado de autonomía para depender lo menos posible de un
supervisor externo en este sentido.
Desde un punto de vista general, el presente texto se enfoca en el estudio del campo
de la robótica móvil o navegación robótica; y dentro del mismo, poniendo especial atención en la disciplina “robótica autónoma”, la cual se focaliza en analizar la capacidad
que posee un robot navegador de reaccionar ante situaciones que no han sido previstas en la programación de su control sin ninguna clase de supervisión exterior [Santos,
J., Duro, R. 2005]. En consecuencia, un robot autónomo no debería estar totalmente
preprogramado; es decir, debe estar preparado para poder llevar a cabo todos aquellos movimientos que sean necesarios para desarrollar sus tareas correctamente en su
ambiente de trabajo. Una de las estrategias más utilizadas para lograr este objetivo,
consiste en incorporar una arquitectura cognitiva mediante la cual el robot sea capaz
de vincular toda la información capturada por su sistema sensorial con las acciones que
deben llevar a cabo su sistema de actuadores.
Porlasrazonesexpuestas,esquelosrobotsquepresentanunciertoniveldeautonomía presentan diferencias importantes con aquellos que operan en el marco de la
robótica tradicional; en tal sentido, mientras los primeros deben poseer la suficiente
flexibilidadparaadaptarseaposiblescambiosquepudiesentenerlugarensuentorno
detrabajo,lossegundoscarecendeestaflexibilidad.Másprecisamente,siporejemplo
unbrazorobóticoestáoperandoenunacélulafijarealizandounatareadepintura;ysi
poralgunarazónselecambiaalgunacondiciónespecíficadeoperación(comoserun
ligero cambio en el formato de la pieza que debe pintar o la posición en que se encuentra), es muy probable que el robot ya no pueda realizar la tarea de pintado teniendo en
cuentalascondicionesdediseñopautadasoriginalmente;espocoflexiblealoscambios que pudieran producirse durante el desempeño de su tarea.
Ahora bien establecidas y aclaradas estas diferencias, y atendiendo a las distintas
necesidades y demandas que van surgiendo en la mayoría de los ambientes donde
sehaceusodesistemasderobots;esprecisoreflexionaracercadelaposibilidadde
proporcionar a estos sistemas de un mayor grado de autonomía. Es por estas causas,
que la presente obra se ocupa de una manera especial de las llamadas tecnologías
inteligentespertenecientesalcampodelaInteligenciaArtificial;entreellassehacereferencia a los Sistemas Expertos, el Aprendizaje Automático, los Algoritmos Genéticos,
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yenespecial,alasRedesNeuronalesArtificiales(RNA)quesonlasqueseutilizan
en este texto para la implementación computacional de un robot navegador en determinadosentornosdetrabajo.ParalasRNAsehadestinadoespecialmenteuncapítulo.
En este contexto, se destina un capítulo donde se exhiben distintas experiencias de
navegación simuladas en un entorno computarizado, y en las cuales se prueba al robot
en diferentes ambientes de operación(modificandolaposiciónylacantidaddelos
obstáculos, es decir cambiando la complejidad del mundo en el que opera el robot),
combinados con distintas rutas de navegación y ciertos cambios en la arquitectura
de la RNA propuesta.
Con base en las experiencias realizadas, los autores arriban a un conjunto de conclusionesqueexhibenlasbondadesydificultadesdeunrobotmóvilquenavegaen
diferentes mundos, con la presencia de obstáculos y en base a una arquitectura cognitiva concebida en base a los modelos neuronales propuestos. Estas conclusiones se
pueden sintetizar en función de tres aspectos que resumen el presente y el futuro de
esta línea de investigación en base a estas experiencias; a saber:
I. Se analiza el alcance y la potencia de los modelos de RNA propuestos para
que este robot navegador (con su sistema sensorial y de actuadores que se
propone en este texto) pueda hacer frente a las tareas que le son encomendadas en los distintos entornos en los cuales este tenga que desempeñarse.
II. Se observa que los modelos de RNA empleados poseen sus ventajas y
desventajas; por tal motivo, los autores continúan investigando otros modelos propios del paradigma reactivo (arquitecturas más avanzadas de back
propagation y otros modelos de RNA), en aras de mejorar la performance
del robot navegador en los ambientes en que este deba operar.
III.En virtud de las investigaciones que se están llevando a cabo, se observa
que el paradigma reactivo, por sus propias características, también presenta
limitaciones cuando el robot debe realizar tareas en un mundo complejo; por tal razón, los autores proponen desarrollar otras líneas de investigación relacionadas con otros paradigmas alternativos al reactivo tales
como: aprendizaje automático, robótica evolutiva, aprendizaje por refuerzo
y la teoría de grafos y árboles para la búsqueda de rutas de navegación
óptima; entre otras líneas.
En virtud de todo lo expuesto, se espera que tanto la presentación del material teórico
que conforma la presente obra así como también las diferentes experiencias que se
exponen, contribuyan a la apertura de diferentes líneas de investigación y a la profundización de las que se encuentran en curso; habida cuenta de la gran cantidad de
variantes que se pueden estudiar, combinando las distintas tecnologías a implementar
y los diferentes mundos en los que deba desarrollar sus tareas el sistema robótico en
cuestión.
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Robótica de navegadores
Amododecierre,sedeseasignificarqueelcapítulo8presentaunanálisisdetalladode
cada uno de los capítulos que conforman este libro de texto, una síntesis más completa
acerca de la posibilidad de combinar paradigmas y tecnologías alternativas a las desarrolladas para lograr optimizar las rutas de navegación del robot, y una visión global
del estado actual de la línea de investigación que los autores vienen desarrollando; así
como también de las futuras líneas susceptibles de materializarse en el mediano plazo.
Finalmente, los autores desean expresar su agradecimiento a aquellas personas que
han colaborado en la confección y elaboración del material de la obra: Mag. Ing. GustavoEduardoMonte,Ing.RobertoCarabajal,Dra.PaolaBritos,Mag.HernánMerlinoy
el estudiante de ingeniería Brian Schmidt. También agradecen el apoyo recibido de la
Facultad Regional Neuquén de la Universidad Tecnológica Nacional y de la Dirección
de Carrera de la Licenciatura en Sistemas de la Universidad Nacional de Lanús. Una
mención especial de agradecimiento a Jorge López de la editorial Nueva Librería y a
todo su personal, por el permanente apoyo y asesoramiento para la confección de la
obra.
Neuquén – Argentina, Junio de 2014