Uno de los principales problemas en el diseño de robots autónomos es la necesidad de contar con algoritmos capaces de tomar decisiones en tiempo real, mientras realiza un conjunto de complejas tareas, como por ejemplo la percibir y analizar de su entorno, determinar una estrategia, coordinar el conjunto de robots, etc.

Para tener una idea clara de esta complejidad,  resumiremos algunos aspecto importantes a considerar en la arquitectura de robot móviles. Entre ellos encontramos: la definición los  sensores, los mecanismo de desplazamiento, el calculo de trayectorias por métodos de cálculos trigonométricos mediante arcos y rectas (Sung-oh et.al, 1999) o también aquellos que incluyen variaciones en la trayectoria con el objetivo de esquivar obstáculos (Santos, et al), el entorno, la conformación dinámica de estrategias, aprendizaje, identificación de objetos, y validación de reglas entre otras cuestiones. Este trabajo se encuentra básicamente organizado con una primer sección descriptiva sobre robots móviles, su entorno, sensores, medio de transmisión y selección de un modelo censillo de robot. 

Hoy en día la robótica como herramienta educacional y de investigación poco a poco va ganando terreno en el ámbito académico, evidenciándose sobre todo en países mas desarrollados. Existen robots y maquinas automatizadas en mucho lugares facilitando el trabajo diario, van desde cajeros automáticos hasta brazos robots de ensamblaje, pintura presentes en la industria electrónica, automotriz, etc. No se pretende hacer una clasificación de todas las clases de robots existentes, sino centrarse en robots móviles utilizados en investigación robótica. Con tal motivo haremos una primera división en dos áreas

Son herramientas para el ensayo de algoritmos, técnicas de inteligencia artificial, métodos de desplazamiento, tecnología en comunicaciones, etc. En muchos casos sirven de base para futuros robots con aplicaciones en el mundo real. Por ejemplo robots busca minas (basados en robot rastreadores), de exploración espacial como sondas Viking y los muy conocidos Pathfinder (NASA, 2004) que a su vez sirvieron de base para la serie de robots Rovers utilizados en la exploración marciana.

Se define como robots teledirigidos a aquellos que necesitan la intervención de un operador humano, ya sea en forma parcial o total, por ejemplo los utilizados en la desactivación de explosivos. Llamamos autónomos a aquellos que son capaces de tomar sus propias decisiones basados en la comprensión del entorno en que se encuentren. Dentro de esta categoría nos ocuparemos principalmente de los móviles del tipo vehículo. Se hace esta distinción pues existen numerosos tipos de robots de variadas configuraciones que se encuadran en esta categoría. Como es el caso de un brazo robot con visión artificial sin asistencia humana realizando tareas de clasificación de objetos.

Está compuesto por el medio en el cual se desplazara el robot, los obstáculos, el ambiente  y los actores  intervinientes. Es posible clasificarlo en cuatro tipo básicos, acuático, terrestre, aéreo y espacial. Define los mecanismos que permiten al robot movilizarse, sumando la tarea a realizar define también la cantidad de sensores y actuadores, la potencia necesaria, la complejidad de los algoritmos de toma de decisiones , etc. A su vez se dividen en ambientes extremos, normales y controlados:

El ambiente en donde el robot debe operar es realmente hostil, no apto para la vida humana y muy exigente con respecto a las características constructivas del robot. En esta categoría agrupamos los robots de exploración submarina profunda, robots de manipulación y mantenimiento de centrales atómicas, etc. En el caso de robots semiautónomos que necesitan de supervisión humana, podemos citar: los de exploración de alta atmósfera, sondas espaciales, robots de exploración marciana.

Es el entorno natural en donde un ser humano realiza su actividad, no es perjudicial para su salud, y las condiciones del entorno pueden variar sin previo aviso. Un ejemplo de esta variación es el clima y la luz ambiente que son consideradas como variable del entorno. Entre este tipo de robot están, los de limpieza, de pintura en líneas de montaje, vehículos de trasporte público totalmente automatizados, y aquellos destinados al juego, entre otros.

Están creados por el ser humano, se compone de un conjunto de variables bien definidas como ser el terreno, el ambiente, los contrincantes, etc. Estas se encuentran  acotadas dentro de valores conocidos, dejando solo de ser necesario un cierto margen fuera de control (sin intervención), esto es muy común cuando se necesita un análisis próximo a la realidad.  Como ejemplo tenemos el caso del fútbol de robots. En este entorno ciertas característica permanecen estables en el tiempo, mientras otras como los contrincantes o el movimiento de la pelota quedan fueran de nuestro control.

Es el más familiar para nosotros, muy fácil de implementar. Los robots creados para este entorno son de fácil construcción y se basan en conceptos de mecánica muchas veces ya probados. En muchos casos solo es cuestión de dotar de inteligencia a un vehículo convencional. Ha dado origen a muchas alternativas de desplazamiento que van desde lo convencional a modelos de imitación del mundo animal.

· Humanoide, reproducen el desplazamiento bípedo humano ASIMO (Honda, 2004).

· Aarañas o hexápodos de múltiples patas.

· Rastrero que simula el desplazamiento de serpientes Snakebot (NAI,2004).

· Orugas como en maquinas excavadoras.

· De pistón, por saltos.

· Con ruedas

A) Dos ruedas con tracción independiente, cada rueda es controlada por un motor individual que se controla por separado, esto le permite realizar giros sobre si mismo con solo invertir el sentido de giro de una de las ruedas con respecto a la otra.

B) De cuatro o tres ruedas en donde un par de ruedas se encuentran unidas a un único eje de empuje horizontal controlado por un motor y otro motor controla la dirección, es el caso de los automóviles convencionales.

C) Omnidireccional (Keigo, 1998) mediante tres o más ruedas con tracción individual logra desplazarse de manera inmediata en cualquier dirección, siendo mas complejo en su construcción y manejo. La dirección esta dada por el vector de dirección resultante formado por la suma de los vectores de dirección de cada rueda.

En el medio acuático los robot pueden ser impulsados por diferentes métodos , el más común es mediante hélices o turbinas, otros buscan simular el comportamiento de animales acuáticos utilizando aletas, o con movimientos ondulatorios tipo serpiente, etc.

Principalmente estudiado en investigaciones para aplicaciones militares, por ejemplo en aviones de exploración autónomos, cuyo objetivo principal es incursionar en las líneas enemigas sin ser detectados, con el fin de realizar un reconocimiento visual del terrenos y del enemigo, aviones de exploración climatológica, globos aerostáticos, dirigibles, helicópteros y también una nueva línea de investigación muy interesante que busca reproducir el aletear de diferentes insectos.  Un ejemplo es el robot aéreo de comunicaciones impulsado por energía solar, desarrollado por la empresa (Aerovironment, 2004) que funciona operando al igual que un satélite de comunicaciones.

En este tipo se agrupan a los robot que navegan en el espacio exterior. Utilizan medios de propulsión especiales como ser motores de propulsión nuclear, iónicos, de combustible sólido o mediante cálculos gravitacionales, etc. En esta clase de robots es especialmente necesario contar con un gran grado de autonomía debido a que cuanto mayor sea la distancia de la tierra se producirá demoras cada vez más grandes en la transmisión y recepción de datos , haciendo muy dificultoso o imposible operarlos  de forma teledirigida. Por lo tanto deben poder controlar sin asistencia humana, su sistema de propulsión, monitorear y/o corregir su trayectoria, al mismo tiempo que realizan las mediciones y las tareas que le fueron asignadas.

En este punto ya podemos establecer como un entorno terrestre y controlado como el ideal para nuestra investigación, además de elegir un robot tipo vehículo con ruedas dada su facilidad y bajo costo de construcción.

Es necesario que el robot sea capaz de percibir el ambiente en donde se encuentra, analizarlo y luego con estos datos realizar un plan de acción. Al aplicar este plan de acción también debe realimentarse de las variaciones que éste sufra y de manera recursiva hacer las correcciones necesarias hasta alcanzar su objetivo. Haciendo una analogía con los seres humanos los llamaremos los sentidos del robot. Se debe seleccionar el tipo de sensores a utilizar. Mediante un pequeño ejercicio mental pensemos en que sentidos intervienen en el acto de caminar, diríamos sin duda que el de la vista es el principal de ellos, pues nos permite, definir un punto de origen, uno de destino, y trazar una trayectoria imaginaria entre ambos, identificar posibles obstáculos, determinar nuestra velocidad y el grado de avance. Otro importante es el del equilibrio, fundamental en robot con patas, sobre todo en los del tipo humanoide . Con el objetivo de simplificar el modelo usaremos un robot tipo vehículo de dos ruedas como los Khepera (UBASot,2004).

El proceso de digitalización de la imagen se realiza mediante una cámaras de video y una placa digitalizadora encargada de transformar la señal de video a formato digital. Una vez  transformado a digital puede ser procesado y almacenado por el computador. Es común pensar que es simple lograr que un robot vea lo mismo que nosotros. En realidad esto es muy cierto en el sentido de captura de imágenes, e incluso puede ser mejorada, sobre todo con los últimos avances en electrónica y video que permiten capturar imágenes en un amplio rango del espectro lumínico, rayos X, infrarrojo, o con amplificadores que permiten tomar imágenes con mínimas cantidades de luz. Su complejidad radica en la dificultad que presenta el análisis de estas imágenes, cada imagen es traducida en millones de puntos con diferentes intensidades de luz, para luego ser analizados por el software, para realizar este análisis también debe poder eliminar el ruido en la imagen producto de reflejos, sombras, contrastes, etc. Una vez que la imagen es depurada se debe separar a los objetos del fondo, identificarlos, diferenciarlos entre sí, determinar si son obstáculos fijos o en movimiento, etc. Esta tarea asume la forma de millones de cálculos que deben ser realizados rápidamente, esto es así porque el robot se encuentra desplazándose mientras controla el sistema de locomoción, definiendo un plan de acción a cada instante con la realimentación visual. Por consiguiente si el robot se demora mucho tiempo en identificar un obstáculo, la acción correctiva para esquivarlo llegaría demasiado tarde y no podría evitarse la colisión con el mismo. En la práctica es recomendable minimizar la cantidad de datos a analizar, un método es disminuyendo el grado de exactitud de la imagen. Por ejemplo si no es necesario diferenciar colores se puede usar una cámara monocromática o en el caso de usar una cámara color trasformar la imagen a niveles de grises, luego aplicando ecuaciones de reconocimiento de bordes identificar formas, para por último compararlas con las almacenadas y así identificar al objeto. Una buena idea para determinar distancias y obstáculos es usar dos cámaras paralelas simulando la visión estereoscópica humana, de esta manera por una simple triangulación de cada punto de la imagen tomada por cada cámara, se calcula las diferentes distancias.

Existen también sensores simples que podemos considerar como de visión. Esto son los sensores infrarrojos, los láser, etc. El objetivo de estos sensores no es reconocer un objeto, sino detectar su presencia y en algunos casos hasta calcular la distancia que lo separa, son muy útiles cuando se necesita evitar un obstáculo. Esta distancia se obtiene mediante el calculo del tiempo en que tarda el haz lumínico en rebotar contra el objetivo. Este tipo de sensores también es muy usado en la detección y seguimiento de líneas.

Reconocen el entorno en base a sensores del tipo ultrasónico u otro medio de captación de sonido. Es un método poco familiar pero bastante utilizado en robótica. En la naturaleza es utilizado por los murciélagos que al no emplear la visión normal debido a sus hábitos nocturnos, necesitan reemplazarla por un sistema que le permite reconocer su entorno en base al rebote de las ondas sonoras. Estas ondas sonoras son de una frecuencia ultrasónica fuera del espectro audible humano , por ello este método es inaudible para nosotros. Estos sensores van desde muy complejos tipo radares o sonares que permiten reconocer objetos, hasta los mas simples que cumplen la función de detectar la presencia de objetos

Mediante un micrófono se realiza la captura del sonido, se digitaliza y se procesa por un programa analizador de señales. Se puede detectar la proximidad de otros robot debido al ruido de sus motores, determinar el ruido ambiente (filtrarlo si fuera necesario) y permitir el intercambio de información entre robots o con el ser humano. La transferencia de información se puede lograr mediante un sistema de reconocimiento de ordenes verbales. O de forma mas sencilla con un método de modulación por tonos, al igual que con los módems telefónicos.

Haciendo una analogía con los dedos humanos podemos realizar una clasificación en base a la forma en que perciben (sensan) su entorno:

A) Sensores de presión del tipo piezoeléctrico, su funcionamiento se basa en traducir la fuerza ejercida sobre ello (por ejemplo al presionar un objeto con el  sensor) en un potencial eléctrico proporcional a dicha fuerza, entonces comparando con una escala de tensión, se obtiene el valor de la fuerza ejercida.

B) Sensores de contacto eléctrico (switch), consta de dos contactos separados por una distancia (que llamamos X) y al ejercerse presión sobre ellos se los junta mecánicamente produciéndose el contacto eléctrico entre ellos. Son utilizados generalmente para detectar colisiones contra objetos como por ejemplo paredes, o la presencia de los objetos que se desean manipular.

Traducen la temperatura a un valor digital muy útiles a la hora de proteger motores, o ejecutar determinada acción al llegar a un valor predeterminado.

En un robot es muy importante tener una noción exacta de la cantidad de pasos y la velocidad, pues esto permite calcular la distancia recorrida, y administrar eficientemente la energía consumida. Un método usado para controlar motores de CC es usar un encoder (contador de pulsos) similar al utilizado en el sensado de la posición de un mouse de pc. Otra alternativa es usar motores paso a paso en donde la distancia y velocidad están dadas por la señal que se usa para comandarlos, pudiéndose de igual manera lograr una realimentación con el método anterior. El alto costo y la dificultad de encontrarlos en el mercado local lo hacen menos elegible.

Al igual que los humanos necesitan ingerir alimentos para restablecer sus reservas de energía y racionarla de acuerdo a su actividad física, es conveniente que un robot pueda administrarla de igual manera. Esto se logra usando sensores de tensión que transforman el voltaje sensado en un valor digital.

Son sensores de orientación que permiten ubicarse geográficamente al igual que lo hace una brújula en función de los polos magnéticos. Dentro de esta categoría se incluyen los equipos de posicionamiento global (GPS).

Hablaremos de dos tipos de robot autónomos:

· Los que llevan montada sobre ellos la inteligencia (computadora) encargada de procesar todos los datos y ejecutar los algoritmos de control.

· Y aquellos que se comunican con una computadora central encargada de realizar estas acciones.

Establecer un buen enlace entre un robot y su controlador central es un factor crítico, aumentando cuanto mayor sea el grado de dependencia del controlador central. Para disminuir esta dependencia del enlace se debe dotar al robot de la mayor autonomía posible. Normalmente se utilizan métodos de transmisión por radio frecuencia, en donde la información es modulada sobre una señal portadora trasmitida por el emisor (computadora central) , luego de lo cual el receptor (robot) demódula y decodifica la señal de manera de interpretar los datos enviados. Esto implica utilizar un  “checksum” que en términos sencillos, representa un valor que es dado por la suma de los valores binarios (ASCII) de los caracteres enviados, al ser decodificados en el receptor es calculado nuevamente y comparado con el enviado por el emisor, si no coincidieran significa que la información recibida no es correcta.

TAREAS MÍNIMAS REALIZADAS POR EL ROBOT

· Controlar el sentido de giro de los motores

· Controlar la velocidad

· Controlar el posicionamiento

· Control de las baterías

· Sensor de contacto con la pelota

· Sensor de proximidad de obstáculos

· Dirección y el impulso del disparo.

· Comunicación inalámbrica o infrarroja.

· Protocolo de comunicación inalámbrica

· Digitalizar las imágenes del entorno

· Determinar los diferentes actores

· Calcular trayectorias de los objetos

· Analizar estrategia del adversario

· Determinar un plan de acción.

· Controlar de reglas de acción