Robots inteligentes ayer, hoy y mañana
La evolución de las ideas sobre las formas de desarrollar la robótica, sus objetivos y tareas es muy similar a lo que se observa en un campo como la inteligencia artificial. Se explica por el hecho de que las tareas originales resultaron ser mucho más complejas, lo que requirió la creación de modelos, métodos, tecnologías y, sobre todo, tecnologías de inteligencia artificial totalmente diferentes. Las tecnologías de inteligencia artificial (IA) siempre han estado estrechamente relacionadas con la robótica. No es casualidad que una de las direcciones de la IA se siga considerando el comportamiento orientado a objetivos de los robots (creación de robots inteligentes capaces de realizar de forma autónoma operaciones para alcanzar los objetivos fijados por los humanos). En general, un robot puede definirse como un complejo técnico diseñado para realizar diversos movimientos y algunas funciones intelectuales de un ser humano y que posee los dispositivos de actuación, los sistemas de control y de información necesarios para ello, junto con los medios para resolver tareas computacionales y lógicas.
En la actualidad, existen tres generaciones de robots:
- Programático. Rígidamente programado (ciclograma).
- Adaptable. Capacidad de reprogramar automáticamente (adaptarse) dependiendo del entorno. Inicialmente, solo se establecen los elementos básicos del programa.
- Intelectual. Una tarea se ingresa en forma general y el robot puede tomar decisiones o planificar sus acciones en un entorno incierto o complicado que reconoce.
Robots inteligentes
En general, se acepta que un robot inteligente tiene el llamado modelo del mundo externo o entorno interno, que le permite actuar en un entorno de información incierto. Si este modelo se implementa en forma de base de conocimiento, entonces es apropiado que esta base de conocimiento sea dinámica. En este caso, la corrección de las reglas de comportamiento del robot en las condiciones de un entorno cambiante implementa naturalmente los mecanismos de autoaprendizaje y adaptación. Así, un robot inteligente es un robot que incluye un innovador sistema de control (IS). IS significa un sistema informático para resolver problemas que un ser humano no puede resolver en tiempo real, o su solución requiere soporte automatizado o da resultados comparables a las decisiones humanas. Además, entre otras cosas, se da a entender que para que las tareas sean resueltas, el SI no asume la completitud del conocimiento, y el propio SI debe tener la capacidad de: ordenar datos y pericia con la asignación de parámetros esenciales; aprender de ejemplos positivos y negativos, adaptarse a cambios en el conjunto de hechos y conocimientos, etc. Si definimos la inteligencia de un robot en palabras más simples, el sistema puede resolver problemas formulados de manera general. Entonces, a pesar de los muchos criterios de inteligencia propuestos, el requisito más sólido sigue siendo que el rol humano en la interacción con el SI debe reducirse solo a formular la tarea.
La arquitectura de los robots inteligentes
En la actualidad, se considera que un robot inteligente debe incluir Actuadores: son manipuladores, tren de aterrizaje y otros dispositivos, con cuya ayuda el robot puede actuar sobre los objetos que le rodean. Y por su estructura, se trata de dispositivos técnicos complejos con servomotores, piezas mecatrónicas, sensores y sistemas de control. Por analogía con los organismos vivos, son los brazos y las piernas del robot. Los sensores son sistemas de visión, oído, tacto, sensores de distancia, localizadores y otros dispositivos que permiten obtener información del mundo circundante. El sistema de control es el cerebro del robot, que debe recibir información de los sensores y controlar los actuadores. Esta parte del robot suele implementarse mediante software. El sistema de control de un robot inteligente debe incluir los siguientes componentes Un modelo del mundo: refleja el estado del mundo que rodea al robot en términos fáciles de almacenar y procesar. El modelo del mundo cumple la función de recordar el estado de los objetos en el mundo y sus propiedades. Sistema de reconocimiento: incluye sistemas de reconocimiento de imágenes, de voz, etc. La tarea del sistema de reconocimiento es identificar, es decir, "reconocer", los objetos que rodean al robot y su posición en el espacio. Como resultado de los componentes del sistema de reconocimiento, se construye un modelo del mundo. El sistema de planificación de acciones realiza una transformación "virtual" del modelo del mundo para obtener alguna acción. En este caso, se suele comprobar la posibilidad de alcanzar el objetivo. El resultado del trabajo de planificación de acciones es la construcción de planes, es decir, secuencias de acciones elementales. Sistema de ejecución de acciones: intenta ejecutar las acciones planificadas emitiendo órdenes a los actuadores y controlando simultáneamente el proceso de ejecución. Si la ejecución de una acción elemental resulta imposible, todo el proceso se interrumpe y debe realizarse una nueva (o parcialmente nueva) planificación. Sistema de control de objetivos: define la jerarquía, es decir, la importancia y el orden de consecución de los objetivos fijados. Las propiedades esenciales del sistema de gestión son la capacidad de aprendizaje y adaptación, es decir, la capacidad de generar secuencias de acciones para el objetivo fijado y de ajustar su comportamiento a las condiciones cambiantes del entorno para alcanzar los objetivos fijados.
Tecnologías de IA para robots inteligentes
Los sistemas inteligentes son un componente necesario para resolver los problemas de creación de un modelo del mundo, un sistema de planificación de acciones y gestión de objetivos. La base de conocimientos en los sistemas inteligentes es una de las partes principales del modelo del mundo y sus funciones de transformación. El reconocimiento de imágenes es desde hace tiempo una parte necesaria de los sistemas robóticos complejos. Los sistemas de visión volumétrica proporcionan información sobre la orientación de los objetos en el espacio. Actualmente se están produciendo cambios significativos en este ámbito. El reconocimiento y la generación de voz son necesarios para una comunicación eficaz con los seres humanos. Sin estas tecnologías, el contacto pleno con los humanos es imposible. Se han producido avances significativos en el ámbito de la generación del habla basada en el texto. La situación es peor con el reconocimiento del habla porque es una tarea más compleja.
Los sistemas multiagente se utilizan para controlar colectivamente muchos robots que pueden trabajar individualmente o en equipo.
Control inteligente de robots
Las operaciones son realizadas por el robot inteligente en la siguiente secuencia:
- se hace un plan de operaciones,
- teniendo en cuenta el reconocimiento de las condiciones de trabajo y el estado del objeto, se determina el orden de las operaciones,
- se activan los actuadores del robot.
A diferencia de los robots inteligentes, en los robots convencionales, el plan de operaciones y el orden de las acciones dependen de la decisión voluntaria de un operador humano, y el accionamiento de los actuadores es automático.
Un rasgo característico de un sistema de control de robot inteligente es que tiene la función de reconocer un objeto y su estado mediante dispositivos sensores y determinar (basándose en esta información y los comandos recibidos del operador) las acciones a realizar. Esencialmente, hace que el robot sea versátil y capaz de adaptarse a su entorno y proporciona un control simple del robot.
Los puntos principales en el sistema de control de un robot inteligente son:
- control de los actuadores,
- dispositivos de reconocimiento y detección,
- procesamiento de órdenes y toma de decisiones.
Intercambio de información entre un humano y un robot inteligente
Dispositivos de reconocimiento y sensoriales
Un robot inteligente debe poseer principalmente la capacidad de adaptarse a su entorno. En esto, por supuesto, los dispositivos sensoriales que perciben información externa juegan un papel esencial.
Los campos de aplicación de los robots inteligentes son muy amplios. Se pueden utilizar tanto en la industria como en la investigación científica. Según el uso previsto del robot, se requiere una amplia variedad de dispositivos de detección. Aquí, limitaremos nuestra discusión a los dispositivos sensores y sistemas de reconocimiento de patrones para robots industriales, que principalmente realizan operaciones de manipulación.
- a) Dispositivos sensores requeridos para robots industriales inteligentes. Se pueden distinguir los siguientes tres tipos principales de dispositivos sensores:
dispositivos de visión,
dispositivos auditivos,
dispositivos táctiles.
Los principales dispositivos sensoriales requeridos por un robot inteligente son como los tres sentidos.
- b) Función de reconocimiento de un robot inteligente. Las señales recibidas por los dispositivos sensoriales suelen ser información correspondiente a alguna "imagen". Con base en "esta información, es posible identificar las características del objeto y realizar las medidas necesarias de la imagen".
Al reconocer objetos utilizando dispositivos de visión y audición, se puede distinguir entre el reconocimiento de la cosa de la operación en sí y el reconocimiento de señales del operador. En el segundo caso, estamos hablando del esplendor de las llamadas grabadas, por ejemplo, en papel en forma de letras o gráficas, o del reconocimiento de señales que da la voz.
- Dispositivos de visión. La información visual sobre una imagen se puede obtener utilizando una cámara de televisión como dispositivo de entrada. También hay planes para utilizar dispositivos en los que se utilizarán rayos láser como dispositivo de entrada visual.
La información para el reconocimiento es principalmente información de luz y sombra (contraste), pero también se puede usar información de color y posición (mediante puntos brillantes en la imagen).
Los objetos reconocidos son objetos tridimensionales. El proceso de reconocimiento procede en la siguiente (secuencia:
- preprocesamiento (imagen de contorno),
- reconocimiento,
- medición (de los parámetros necesarios del objeto, por ejemplo, su tamaño, ubicación, etc.).
En el problema del reconocimiento, hay muchas cuestiones de gran interés, como reconocer formas complejas, reconocer objetos cuando unos se colocan encima de otros, etc.
Para que un robot inteligente funcione, debe "entender" su entorno El robot recuerda el mundo real de su territorio en forma de algún modelo, pero la visión por sí sola no es suficiente para evaluar el entorno.
Dispositivos auditivos. Los dispositivos auditivos se utilizan con mayor frecuencia para fines de medición y detección que para el reconocimiento de patrones. Además de las mediciones ultrasónicas de objetos' ubicación y dimensiones, los dispositivos auditivos se utilizan para reconocer el final de las operaciones y detectar ruidos inusuales al captar sonidos y ruidos en el lugar de trabajo con micrófonos.
Dispositivos táctiles. Se utilizan principalmente para la detección de ubicación y la medición directa. Sin embargo, además de esto, la información táctil se puede utilizar para reconocer el estado de la superficie de los objetos y sus propiedades (peso, elasticidad, etc.).
Procesamiento de órdenes y toma de decisiones
Un robot inteligente elabora un plan de operaciones y realiza el trabajo basándose en las órdenes dadas por un operador humano y en los resultados del reconocimiento. Las órdenes que recibe el robot pueden tener formas muy variadas: desde simples y concretas hasta bastante abstractas. En cuanto a los métodos de utilización de los resultados del reconocimiento, también pueden ser muy diferentes: desde cambiar los programas con la ayuda de simples sensores, dotando al robot de algunas propiedades de adaptación, hasta realizar automáticamente una programación heurística.
Intercambio de información entre un humano y un robot inteligente
Para realizar operaciones con un robot inteligente, es necesario el intercambio de información entre un humano y un robot. Los robots inteligentes tienen una diferencia significativa en cuanto a "niveles de inteligencia" Según esto, hay medios de intercambio de información que corresponden a uno u otro nivel. En el intercambio de información entre un humano y un robot inteligente, hay información que el humano tiene que dar al robot y conocimientos que el robot inteligente dirige al humano. La primera incluye órdenes dadas al robot e información de aprendizaje. La segunda proporciona mensajes al humano sobre el progreso de las operaciones, el final de las mismas, los resultados, etc., o las peticiones de ayuda del humano. La comunicación visual y auditiva puede facilitar un buen intercambio de información entre un robot inteligente y un humano. En el tacto óptico, los medios para que el robot inteligente reciba información del humano pueden ser el reconocimiento de letras y la distinción de figuras y dibujos. El estándar para la transferencia mutua de información combina una pantalla con un lápiz óptico. La ventaja de la comunicación visual es que si un humano utiliza letras, dibujos, figuras, etc., mientras da órdenes o enseña, le ayuda a organizar su pensamiento. En la comunicación auditiva, el reconocimiento de la voz es el medio para transmitir la información. Gracias a las técnicas de síntesis de voz, es posible dar órdenes y enseñar al robot con una voz humana. Para concretar los métodos de comunicación mencionados, es esencial desarrollar un hardware de preprocesamiento de la información e investigar la estructura de la información y los lenguajes de la máquina.
Hitos significativos en la historia de los robots inteligentes
Un paso importante en el desarrollo de la tecnología y los más famosos fueron las tres "tortugas" creadas por el biofísico y neurofisiólogo inglés G. Walter en 1950 - 1951. Estos dispositivos son juguetes electromecánicos que se mueven solos, capaces de arrastrarse hacia o desde la luz, evitar obstáculos, entrar en el "alimentador" para recargar las baterías agotadas, y similares. Las "tortugas" demostraron propiedades de aprendizaje a pesar de ser un dispositivo sencillo y un sistema de control analógico; las "tortugas" mostraron propiedades de enseñanza. La aparición de la inteligencia en los robots está relacionada con el desarrollo del ordenador. El robot "Shakey" fue creado en 1969 en el Instituto de Investigación de Stanford (EE.UU.) y se denominó entonces robot integral o autómata móvil utilizando los principios de la inteligencia artificial. Este robot estaba formado por una pieza móvil, un ordenador y el software correspondiente. El robot se diseñó para estudiar los procesos de control en tiempo real en un entorno complejo. Todas las funciones que debe realizar el robot pueden dividirse en tres clases: resolución de problemas, percepción y simulación. El sistema de control del robot que sirve para la resolución de problemas utiliza la información registrada en el modelo para planificar y calcular la secuencia de acciones. Como el entorno cambia por los movimientos activos del propio robot o por otras razones, el modelo debe transformarse para recordar estos cambios. Además, hay que añadir al modelo información nueva y actual sobre el entorno, que el robot adquiere a medida que lo aprende. En 1969, el Laboratorio Electrotécnico (Japón) comenzó a desarrollar un proyecto de "robot industrial inteligente". El objetivo era crear un robot con inteligencia artificial para realizar trabajos de montaje con control visual. El manipulador del robot tiene seis grados de libertad y está controlado por un miniordenador (memoria principal de 32000 palabras, memoria magnética externa de 273000 palabras). El manipulador está equipado con sensores táctiles. Como sistema de percepción visual se utilizan dos cámaras de televisión equipadas con filtros rojo-verde-azul para el reconocimiento de los colores de los objetos. El robot podía reconocer cosas sencillas delimitadas por planos y superficies cilíndricas bajo una iluminación especial. En 1972-1975, el Instituto de Cibernética de Kiev creó un modelo de robot autónomo de transporte integrado (TAIR). El robot demostró un movimiento intencionado en el entorno natural, evitando obstáculos, etc. Estructuralmente, el TAIR era un carro autopropulsado de tres ruedas equipado con un sistema de sensores: un telémetro óptico, un sistema de navegación con dos radiobalizas y una brújula, sensores de contacto, sensores de ángulo del carro, un temporizador, etc.
Aplicaciones de los robots inteligentes
Los robots industriales comenzaron a introducirse ampliamente en el ámbito de la producción en los años setenta del siglo pasado. Estos robots estaban controlados automáticamente por sistemas de control numérico. El uso de elementos adaptativos hizo posible ampliar las capacidades de los robots industriales.
Las industrias automotriz y electrónica son los principales consumidores en el campo de la robótica industrial. Actualmente se fabrican muchos tipos diferentes de robots industriales para manipulación, soldadura, pintura, embalaje, esmerilado, pulido, etc., con una amplia gama de aplicaciones en cuanto a la precisión y la naturaleza de las operaciones realizadas.
Robots militares
Un buen ejemplo es un programa implementado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), el principal centro de investigación del Departamento de Defensa de EE. UU. Su esencia es la creación de un ejército de robots. Según los expertos, la transición a un ejército técnico-robótico completo debería ocurrir para 2025. Gracias a la introducción de robots, se excluye el factor más crítico en las operaciones militares: la presencia de soldados vivos en el campo de batalla. Usando comunicaciones satelitales, dicho ejército puede ser controlado desde cualquier parte del mundo. Los vehículos aéreos no tripulados y las armas terrestres ligeras y medianas ya están disponibles. En breve también estará disponible una nueva generación de vehículos fuertemente blindados.
Robots de seguridad
Actualmente, este tipo de robots son muy utilizados para la seguridad. En la Copa Mundial de la FIFA 2006 de Alemania se utilizó un robot de reconocimiento modular. En total, durante la Copa del Mundo, al menos 20 de estas máquinas estuvieron presentes en el Estadio Olímpico de Berlín al mismo tiempo.
En los últimos años, los vehículos aéreos no tripulados (UAV) se han utilizado activamente en varios países para garantizar la seguridad interna, desde el patrullaje de fronteras, puertos, oleoductos y otras instalaciones estratégicas hasta el control de la población.
Robots domésticos
Los robots para el hogar se están convirtiendo en un atributo del hogar tanto como un televisor o un refrigerador. Cada año, se desarrollan modelos nuevos y mejorados de ayudantes domésticos. Gracias a ello, la tendencia de los precios de los últimos años ha sido a la baja, y cada vez son más accesibles para la población en general.
La industria de la robótica en Japón no es el último lugar para crear ayudantes humanos robóticos. Los expertos señalan que la tarea de investigación a gran escala sobre el problema de la coexistencia humano-robot-asistente, incluidos sus aspectos psicológicos y sociales, está en la agenda.
Los robots para juegos y entretenimiento han ganado popularidad en los últimos años. Se están creando muchos juguetes robóticos diferentes para distintas edades.
Robots médicos
Los robots médicos se están convirtiendo en una parte integral de las clínicas modernas. El sistema quirúrgico da Vinci de Intuitive Surgical está muy extendido. Es un manipulador de precisión para médicos. El sistema controla con precisión sus movimientos y "ve" una imagen tridimensional, lo que ayuda a que la cirugía sea mucho menos dolorosa. Y esto, a su vez, contribuye a una recuperación más rápida, haciendo que el proceso de tratamiento sea más accesible y económico.
En Japón, los robots domésticos se utilizan mucho para la atención de pacientes y, en las clínicas de EE. UU., las máquinas se aplican para entregar tarjetas de registro, dispensar medicamentos, realizar cirugías y otras funciones.
Robots espaciales
Los robots espaciales exploran el espacio y otros planetas. Las estaciones interplanetarias automatizadas y los planetoides para estudiar la superficie de los planetas del sistema solar son esencialmente robots complejos. El largo retraso en la propagación de la señal de radio prácticamente elimina el telecontrol en tiempo real, por lo que el rover planetario debe poder tomar decisiones en el acto, es decir, tener las propiedades de un robot inteligente.
Estado del arte y perspectivas
En la actualidad, los robots inteligentes han salido del ámbito de la ciencia pura y se están convirtiendo en elementos tan necesarios en la vida cotidiana como la televisión y las comunicaciones celulares. Sin embargo, hay que superar algunos retos clave para que se produzca un boom en toda regla. Siguen existiendo las dificultades de comunicación y coordinación. También hay que elaborar un mecanismo de agarre. Aun así, las capacidades de los robots están evolucionando rápidamente. Según las investigaciones, un cerebro humano de 1,5 kilos puede realizar unos 100 billones de operaciones por segundo, casi tres veces más que el ordenador más potente del mundo. Las máquinas pueden alcanzar esta capacidad de procesamiento. Sin embargo, un robot no necesita todas las capacidades del cerebro humano para ser suficientemente funcional. Las cifras de ventas dan cuenta de la magnitud del cambio que se está produciendo. Los expertos estiman que el volumen del mercado de "robots domésticos" en Japón, por ejemplo, alcanzará un volumen anual de 8 billones de yenes (70.000 millones de dólares) en 2025. La demanda de robots personales y móviles crece constantemente. Hoy vivimos en un mundo que cambia rápidamente, del que los robots con inteligencia artificial serán parte integrante. No podemos detener estos cambios, pero podemos dirigirlos para mejorar la vida humana.