Análisis en profundidad

Robots: qué son, cómo funcionan y los modelos disponibles

Analizamos qué son los robots, cómo se clasifican, qué saben hacer y para qué se utilizan hoy en día.

10 Nov 2021

Nicoletta Boldrini

robot

La definición de robots puede sonar un poco reductiva pero, de hecho, un robot es una máquina programable capaz de realizar una serie de acciones/actividades complejas a la par de (o más bien con) un ser humano.

Pero entonces, ¿reemplazará el robot al hombre?

En este servicio analizamos qué son los robots, cómo se clasifican, qué saben hacer y para qué se utilizan hoy en día.

Qué es un robot

En el imaginario común identificamos a los robots como máquinas de hardware también equipadas con un componente de software, pero en realidad hoy en día el término también se refiere a la rama de agentes virtuales y sistemas de software como los chatbots, que más comúnmente se llaman bots, o RPA – Sistemas robóticos de automatización de procesos (esencialmente máquinas programables que no tienen el componente de hardware).

El origen del término está relacionado con el escritor checo Karel Čapek que utilizó la palabra robot (por sugerencia de su hermano Josef) por primera vez en 1920 en la obra titulada RUR (Rossumovi Univerzální Roboti – Robots universales de Rossum) donde aparecía un humanoide imaginario, identificado como un robot para recordar la palabra checa robota, que literalmente significa “trabajo esclavo” (era un trabajo que los sirvientes tenían que ofrecer a sus amos durante un período. No se refería a “trabajo forzoso”, en el sentido de trabajo pesado).

Un robot puede ser autónomo o semiautónomo dependiendo de sus capacidades y funcionalidad, puede actuar y/o moverse de forma independiente y estar equipado con un “sistema de control” interno, puede soportar otros sistemas y humanos, puede ser semiautónomo con un sistema de control remoto.

En cuanto a sus capacidades/funciones, un autómata podría definirse hoy como un sistema artificial capaz de llevar a cabo tareas y actividades con diferentes niveles de autonomía.

Definición de robots

Un robot es una máquina que realiza actividades en lugar de humanos.

Ser capaz de dar una definición única y decir con firmeza lo que es un robot no es sencillo, quizás también porque su elaboración, su funcionamiento y su uso implican múltiples disciplinas. Para realizar una automatización es necesario tener habilidades en mecánica, electrónica, informática, que hoy confluyen en la llamada ingeniería mecatrónica. Pero para poder utilizarlos en contextos cada vez más complejos y con funciones y capacidades cada vez más avanzadas (autonomía de acción, aprendizaje automático, habilidades de toma de decisiones e implementación, etc.) se hace necesario ampliar el conocimiento también a la inteligencia artificial y las materias relacionadas con la neurociencia, psicología, lógica, matemáticas, biología, fisiología, lingüística e indirectamente también a campos como filosofía, sociología y ética.

Tratemos de presentar algunas definiciones que, aunque diferentes, cada una contiene algunas peculiaridades que pueden ayudar a dar una definición más o menos amplia.

Según la definición más común de los diccionarios, los robots son versátiles estructuras mecano-eléctricas adaptables a diferentes situaciones, capaces de reproducir diversas actividades elementales, y que representan en cierto sentido la materialización significativa y tangible de un antiguo sueño del hombre. Para ellos el hombre puede transferir la ejecución de tareas repetitivas, agotadoras o peligrosas, que requieren velocidad de movimiento, alta precisión de posicionamiento y repetibilidad de ejecución.

Según la definición dada por la Sociedad Italiana de Robótica Industrial (SIRI), “el robot es un manipulador programable multipropósito para el manejo de materiales, herramientas y otros medios de producción, capaz de interactuar con el entorno en el que tiene lugar el ciclo tecnológico de transformación relacionado con la actividad productiva”.

Una definición “útil” es la del profesor Michael Brady, fundador del Grupo de Investigación en Robótica de la Universidad de Oxford, quien describe la robótica como “la conexión inteligente entre la percepción y la acción”.

Partiendo de esto podríamos decir entonces que un robot es algo que reacciona de forma inteligente ante una situación ambiental que detecta a través de un sistema de sensores y esta reacción sirve para conseguir un determinado propósito.

Para qué es un robot y qué puede hacer por los humanos

Pero, ¿para qué se puede usar un robot hoy en día? Dependiendo de sus habilidades, los autómatas se pueden distinguir en robots no autónomos y robots autónomos.

Los robots no autónomos son aquellos que son “controlados” por software, por un programa que define a priori lo que la máquina debe hacer, o directamente por un humano (pensemos, por ejemplo, en máquinas manejadas por radio o control remoto).

Estos se suelen utilizar para tareas muy específicas (ya que están programados para realizar ciertas funciones), como rovers para la exploración de Marte o robots utilizados en la producción industrial a lo largo de líneas de montaje. Se trata de sistemas que logran realizar sus funciones, incluso moviéndose en entornos hostiles como los robots espaciales, porque están “controlados” por un programa de software determinista (que define cómo las máquinas deben “moverse” y realizar sus tareas, a menudo repetitivas como las del ciclo de producción).

Los robots autónomos, por su parte, son máquinas artificiales con un cierto grado de autonomía y consiguen elaborar respuestas, encontrar soluciones y resolver problemas en situaciones inesperadas (es decir, no programadas por el software). Estas máquinas generalmente no están programadas con soluciones de software deterministas (típicas de la informática tradicional) sino con algoritmos que utilizan diversas técnicas de inteligencia artificial (algoritmos genéticos, lógica difusa, aprendizaje automático, redes neuronales). Suelen ser sistemas móviles capaces de “percibir” el entorno circundante (a través de diversos sensores), moverse en diferentes entornos y tomar acciones y decisiones en función del contexto en el que se mueven y operan.

Un ejemplo muy común de este tipo de autómatas  son los robots aspiradores o robots de jardín que deciden cuándo salir, qué ruta hacer y cuándo recargarse de forma autónoma.

La madurez de la inteligencia artificial es el principal impulso para la nueva generación de robots, capaces de “desarrollar de forma independiente” nuevos algoritmos para su funcionamiento.

De hecho, los robots de primera generación son máquinas programadas capaces de realizar sólo secuencias predeterminadas de operaciones (incluso sin la presencia del hombre, pero aún sin ningún “grado” de autonomía).

Los robots de segunda generación son robots autónomos capaces de realizar funciones y tomar decisiones a través del aprendizaje automático que les permite enfrentarse incluso a situaciones no definidas previamente por el software.

Los robots de tercera generación son aquellos capaces de construir nuevos algoritmos (sin intervención humana) y verificar de forma independiente su coherencia con las tareas que tiene que realizar o los objetivos que debe alcanzar.

Nota: para más información sobre la clasificación y los modelos de autómatas, consulte los siguientes capítulos.

Qué es la robótica y cómo nace (los orígenes del término)

La robótica es una rama de la ciencia relacionada con la tecnología y las disciplinas de ingeniería que se ocupa del diseño, desarrollo / construcción, operación y aplicación de todos los componentes de un robot (hardware, software, sensores).

Mientras que el término robot se atribuye al escritor checo Karel Čapek como derivación de la palabra robot, el origen del término robótica se atribuye a Isaac Asimov, uno de los escritores de ciencia ficción más destacados de cuya pluma nacieron los robots positrónicos y las tres leyes de la robótica.

Según el Oxford English Dictionary, Asimov habla por primera vez de robótica en 1941 en un cuento llamado Liar! (¡Mentiroso! el título original)

¿Qué significa robótica?

Según el diccionario, el término robótica se refiere a “aquel sector de las ciencias de la ingeniería que tiene como objeto el estudio y realización de robots”.

Wikipedia, la enciclopedia libre de la web, ofrece esta definición algo más extensa de robótica: “una disciplina de ingeniería que estudia y desarrolla métodos que permiten a un robot realizar tareas específicas reproduciendo automáticamente el trabajo humano”. Aunque la robótica es una rama de la ingeniería, más precisamente la ingeniería mecatrónica, incluye enfoques de muchas disciplinas, tanto de carácter humanístico, como la lingüística, como de disciplinas científicas, como biología, fisiología, psicología, electrónica, física, informática, matemáticas y mecánica”.

Las leyes de la robótica por Isaac Asimov

Las tres leyes de la robótica aparecieron por primera vez en 1942 en un cuento de Isaac Asimov titulado “Círculo vicioso”, publicado en la revista de ciencia ficción Astounding Science-Fiction. Esta historia ayudó a cambiar la narrativa de ciencia ficción de la época, al transformar la visión de los robots que, hasta los cuentos de Asimov, eran vistos y contados como seres malvados y peligrosos para los humanos.

Los robots con cerebro positrónico, un artefacto tecnológico ficticio que opera como una unidad central de procesamiento para los androides, y los dota de cierta forma de conciencia son protagonistas de historias nacidas de la fantasía y la pluma de Asimov, si están bien diseñados y utilizados, no son peligrosos ni un riesgo para los humanos porque responden a ciertos principios de seguridad (la primera ley de la robótica), servicio (la segunda ley de la robótica) y autopreservación (la tercera ley de la robótica) con los que se regula su comportamiento.

Esto es lo que dicen las tres leyes de la robótica:

Primera ley: un robot no hará daño a un ser humano, no por inacción, permitirá que un ser humano sufra daño.

Segunda ley: un robot debe obedecer las órdenes dadas por los humanos, siempre que tales órdenes no vayan en contra de la primera ley;

Tercera ley: un robot debe proteger su existencia, siempre que la protección del mismo no entre en conflicto con la primera o segunda ley.

Las tres leyes de la robótica pronto se hicieron lo suficientemente populares como para empujar a otros escritores a usarlas, aunque sin mencionarlas explícitamente, ya que Asimov era muy celoso de su creación y las consideraba propias, lo que casi hizo desaparecer las historias de robots destructivos.

En algunos de sus cuentos posteriores Asimov postula la existencia de una cuarta ley, superior en importancia a las otras tres llamada la Ley Cero.

Cómo funcionan los robots: estructura y características

Las autómatas son sistemas cada vez más complejos y clasificarlos por su generación (primera, segunda y tercera generación), o la diferencia entre autónomos y no autónomos, no es suficiente.

Para entender qué tipo y modelos de autómatas existen hoy en día (y qué veremos en el futuro en el área de la robótica), es necesario entender la estructura de los robots y cuáles son sus principales características. En principio, tienen cuatro “unidades funcionales”, es decir, deben ser vistos como sistemas complejos que tienen diferentes “órganos funcionales” (órganos mecánicos, órganos sensoriales, órganos de control, órganos de gobierno y cálculo).

Antes de ver cada uno de estos órganos es bueno recordar la definición de robótica proporcionada por el Robotic Institute of America (RIA): “un robot es un manipulador multifuncional y reprogramable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especializados a través de movimientos programados variables, para realizar una variedad de tareas. Un robot también captura información del entorno y se mueve de manera inteligente en consecuencia”.

1. Estructura mecánica (órganos mecánicos o funciones mecánicas)

En cuanto a la definición de robótica proporcionada por el Robotic Institute of America, la estructura mecánica de un robot representa el “manipulador multifunción”. De hecho, esto es más cierto para la robótica industrial, porque si nos fijamos en la robótica de servicio (de la que hablaremos en los próximos capítulos), la estructura mecánica corresponde al sistema de movimiento y locomoción del robot.

Los órganos mecánicos se distinguen entre dispositivos para realizar operaciones y actividades en un lugar fijo, y dispositivos capaces de moverse. Si quisiéramos establecer un paralelismo con los órganos de movimiento de los humanos (aunque para ciertos tipos de robots puede parecer un poco arriesgado), dividiríamos los órganos mecánicos en miembros superiores (brazos mecánicos en su mayoría, pero incluyendo las llamadas extensiones end-effector, es decir, herramientas como las manos robóticas para el manejo) y miembros inferiores (no necesariamente “piernas mecánicas” , hoy solo en los robots más sofisticados, sino órganos mecánicos como ruedas, ruedas, trineos o sistemas cinemáticos).

2. Estructura sensorial

Los sistemas robóticos están equipados con una capacidad sensorial que les permite “percibir” el contexto en el que operan. No se trata de sensaciones humanas, por supuesto, sino de una estructura sensorial que permite al robot adquirir datos, tanto sobre el estado interno de la estructura mecánica (sensores propioceptivos que permiten al robot “percibir”, por ejemplo, posición y velocidad), como sobre el entorno externo circundante (sensores exteroceptivos que hacen que el robot perciba, por ejemplo, fuerza y proximidad y le den una visión artificial).

3. Estructura de control (órganos de control del robot)

Los órganos de control actúan como conectores entre la percepción y la acción y son los sistemas que aseguran que el robot realice las actividades para las que ha sido desarrollado y/o se utilice con el grado de precisión y fuerza programada.

La estructura de control está dada por actuadores (motores eléctricos, sistemas hidráulicos o neumáticos, etc.) y algoritmos de control (para el pilotaje de actuadores).

4. Estructura del gobierno (órganos de memorización y cálculo)

En este caso nos referimos a sistemas que permiten programar, calcular, verificar las actividades y trabajos realizados por máquinas robóticas. La estructura de gobierno y cálculo suele consistir en sistemas de hardware (microprocesadores, memorias, etc.) y sistemas de software (programas de aplicación, algoritmos de cálculo codificados en lenguajes de programación, estándar o dedicados).

5. Arquitectura de software y programación

La unidad de gobierno debe gestionar las operaciones a realizar por el sistema robótico sobre la base de un modelo interno del autómata (su estructura mecánica) y los datos proporcionados por los sensores. Para tener un sistema de gobierno eficaz, la arquitectura de control debe dividirse en niveles jerárquicos con los algoritmos que determinan las señales de los actuadores en la base y en el escalón más alto de la escala jerárquica la descomposición de la tarea a realizar en actividades (con el mayor grado de abstracción posible). En tal estructura jerárquica, cada nivel envía el resultado de su cómputo al nivel subyacente, que a su vez lo influye en forma retroactiva.

En cuanto a la programación de un sistema robótico, hay tres enfoques principales:

– Teaching-by-showing: el robot es conducido a lo largo de un recorrido y aprende las posiciones alcanzadas gracias a los sensores. Después, simplemente replica esa secuencia de posiciones;

– Robot-oriented: existe un lenguaje de programación de alto nivel con estructuras de datos complejas, variables y rutinarias;

– Object-oriented: como en el anterior, solo que el lenguaje está orientado a objetos.

Entre los órganos de cálculo actuales también existen algoritmos y técnicas de inteligencia artificial que ayudan a elevar el nivel de independencia de los robots autónomos (por ejemplo, a través del aprendizaje automático).

6. Movimiento del robot: análisis cinemático y análisis dinámico

Como hemos visto, un robot es un sistema complejo que tiene una estructura mecánica articulada. Para que su funcionamiento se adapte a las actividades a realizar por su “comportamiento” (movimiento, operación) debe ser esquematizado en un modelo matemático que tenga en cuenta los vínculos de causa y efecto entre los diversos órganos constituyentes (órganos mecánicos, órganos sensoriales, órganos de control).

Estos modelos matemáticos pueden referirse al análisis cinemático y al análisis dinámico del movimiento del robot.

Análisis cinemático es lla descripción cuantitativa del movimiento de un robot (independientemente de las causas del movimiento en sí). Hay que hacer una distinción entre cinemática y cinemática diferencial: la primera trata de los vínculos entre los parámetros internos del robot (sus partes mecánicas) y su posición y/u orientación que afectan al movimiento; el segundo define las relaciones dependientes de la velocidad (para describir el movimiento del robot con más detalle).

Análisis dinámico, es decir, el estudio del movimiento de la automatización a partir de sus causas, es decir, las circunstancias que lo determinan y modifican. Como hemos visto para afectar el movimiento están los actuadores (órganos de control) que garantizan al sistema robótico la potencia necesaria para llevar a cabo una tarea o actividad, pero otra vez es necesario distinguir entre dinámica y dinámica inversa: el primero sirve para el cálculo de las aceleraciones de los componentes de un robot según las fuerzas de implementación, y la dinámica inversa investiga métodos para determinar las fuerzas de implementación que permiten lograr las aceleraciones deseadas.

DOF (degrees of freedom): ¿Cuáles son los grados de libertad de los robots?

En física, los grados de libertad de un sistema mecánico representan el número de parámetros independientes que definen su configuración (y complejidad). En otras palabras, el número de parámetros que determinan el estado de un sistema físico, una medida muy importante para el análisis de sistemas corporales en ingeniería mecánica, aeronáutica, robótica y estructural.

Cuando se aplican a la robótica, los grados de libertad expresan el nivel de sofisticación y complejidad tecnológica de un robot. En particular, con un número simple, los grados de libertad de un robot definen su capacidad de moverse: cuanto mayor es el número que establece los grados de libertad, más avanzado tecnológicamente está el robot en sus movimientos.

Los robots humanoides y los animales robot (robots que están inspirados, incluso en características, por humanos o animales) suelen tener un grado discreto de libertad, generalmente superior a 20.

Para entender cómo se “calculan” los grados de libertad de un robot tomemos como ejemplo uno de los robots humanoides más avanzados tecnológicamente, iCub, el robot desarrollado por el Instituto Italiano de Tecnología (el IIT de Génova).

Partiendo de la definición clásica de grados de libertad, sabemos que el número de grados de libertad de un punto material es el número de variables independientes necesarias para determinar de forma única su posición en el espacio (es decir, sus coordenadas). Suponemos que el número de grados de libertad de un sistema es igual al del número de coordenadas generalizadas necesarias para describir su movimiento.

Por lo tanto, un punto que se mueve en un espacio tridimensional, tiene tres grados de libertad (es decir, es libre de moverse hacia adelante / atrás, arriba / abajo, izquierda / derecha), y un punto que se mueve en un plano tiene dos grados de libertad.

En robótica industrial, los robots antropomórficos (brazos robóticos) suelen tener un mínimo de seis grados de libertad porque además de la posibilidad de moverse en un espacio tridimensional (por tanto con tres grados de libertad), pueden girar a lo largo de tres ejes perpendiculares (teniendo así 3 grados de libertad adicionales).

Dadas estas premisas  necesarias llegamos al “pequeño” iCub, un robot que alcanza los 53 grados de libertad, que derivan de:

  • 7 grados de libertad para cada brazo robótico;
  • 9 grados de libertad para cada mano robótica (3 para el pulgar, 2 para el dedo índice, 2 para el dedo medio, 1 para el anillo acoplado y el dedo meñique, 1 para la abducción);
  • 6 grados de libertad para cada pierna robótica;
  • 6 grados de libertad para los movimientos de la cabeza;
  • 3 grados de libertad para el pecho y la columna vertebral.

Los diversos tipos de robots que se pueden comprar

Como se ha mencionado en los capítulos anteriores, los robots son máquinas (más o menos antropomórficas, es decir, que tienen apariencia humana en funcionalidad y movimiento pero también, cuando hablamos de humanoides, en apariencia) capaces de realizar trabajos más o menos autónomos en lugar del hombre y ahora son sistemas cada vez más complejos (a menudo llamados humanoides o androides).

Para entender la diferencia entre las distintas generaciones de robots y profundizar en las peculiaridades de los robots autónomos y no autónomos, nos remitimos a la lectura del capítulo “Generaciones de robots: para qué son y qué hacen”.

En este capítulo profundizamos en los distintos tipos de robots destacando las diferencias entre antropomórfico, humanoide y androide. Para una visión más completa es recomendable leer el artículo sobre los tipos de robots en el mercado.

Robots industriales y Cobots

Los robots industriales y los cobots (robots colaborativos) son robots útiles para automatizar industrias. Este fenómeno toma el nombre de industria 4.0 (o cuarta revolución industrial) y permite a las industrias acelerar los tiempos de producción, ahorrando dinero.

Robots antropomórficos, humanoides y androides, las diferencias

Brazo robótico

Los sistemas antropomórficos son sistemas robóticos que logran emular ciertas habilidades del ser humano como el movimiento de piernas y brazos, la percepción y el desplazamiento en entornos físicos. Esta categoría de robots en realidad incluye tanto humanoides como antropomorfos destinados a sistemas robóticos industriales (típicamente los llamados brazos robóticos utilizados en el sector industrial a lo largo de las líneas de producción).

Robot NAO

Los humanoides son robots autónomos con apariencia humana (se parecen a los humanos porque tienen un cuerpo con cabezas, brazos y piernas o ruedas que se asemejan a la físico de las personas, aunque sean claramente reconocibles como robots). La investigación está desarrollando autómatas humanoides cada vez más sofisticados con tecnologías avanzadas que dan a estas máquinas capacidades cognitivas y sensoriales.

Robot Sophia

Los androides son siempre robots humanoides (de hecho se suelen utilizar como sinónimos) aunque existe una tendencia a “fusionar” en esta categoría sistemas robóticos que no solo se asemejan a los seres humanos sino que también replican sus características pareciendo a todos los efectos una persona.

Luego también están los robots sociales (es decir, los robots de compañía) que se están afianzando cada vez más como robots domésticos que acompañan a los ancianos, los niños y toda la familia.

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