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Introducción a la robótica basada en
comportamientos
Departamento de Computación
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Universidad de Buenos Aires

1. Introducción
1.1 Definiciones. Robot, robot móvil, robot
autónomo.
1.2 Tipos de robot
1.3 Historia y motivaciones desde la inteligencia
artificial, desde la cibernética y desde la biología.
1.4 Definición de robótica basada en
comportamientos.

Para ir pensando en una definición ...
Algunas capacidades que estando presentes en máquinas
(físicas o no) conducen a pensar que estamos frente a un robot
Pueden realizar tareas repetitivas con
rapidez y precisión
Pueden llevar a cabo tareas en forma
preprogramada o teledirigida
Por sus formas o habilidades refieren
a características humanas o animales
Pueden sensar su entorno y actuar
en consecuencia
Pueden aprender de la experiencia y así modificar su
comportamiento
Pueden auto-duplicarse y re-construirse
Máquina de coser
Videocasetera
Animatrónica
Cámara de fotos

Algunas definiciones
”Un manipulador reprogramable y
multifuncional, diseñado para mover
materiales, partes, herramientas o
dispositivos especializados por medio
de varios movimientos programados
para el desempeño de una variedad de
tareas”
(1979, Robot Institute of America)

”Un robot es un dispositivo mecánico controlable por software
que usa sensores para guiar uno o mas sensores basado en
movimientos programados en un espacio de trabajo con la
intención de manipular objetos físicos.
(Héctor Rotstein. Technion-Israel Institute of Technology)
Space Systems Laboratory, University of Maryland Fotos en
el Neutral Buoyancy Research Facility.

(1996,NASA) Reemplazo del robot anterior (Beam Assembly
Teleoperator) usado como un asistente EVA (extravehicular
activity) para, por ejemplo, la reparación o instalación de
dispositivos en el Hubble (Hubble Space Telescope).
Cada manipulador tiene 8 grados de libertad. Un brazo de 7 gdl
fija el resto de los manipuladores a la nave. Un brazo de 6 gdl
sirve para situar un sistema de estereo visión (dos cámaras).
Tiene la posibilidad de manejar e intercambiar varias
herramientas (end effectors). Teleoperado.

Teleoperator/Telesence System / Concept Verification Model
(TOPS/CVM) SPAWAR Systems Center San Diego
Un exoesqueleto de 9 grados de libertad con sensado de fuerza es
utilizado para controlar un brazo con 7 grados de libertad - con
sensado de fuerza- sobre un soporte de 3 grados de libertad.

”Agente activo artificial cuyo ambiente es el mundo físico"
[Russell y Norvig]
Activo en el sentido que se mueve.
Artificial en el sentido que no es un ser vivo.
Ambiente físico en el sentido que no es un agente de software
(por ejemplo, sensando las páginas consultadas por un usuario
y actuando en la pre-carga de de determinados sitios).
Es un agente en el sentido de que puede percibir y actuar.
Actuar en un sentido que maximiza su desempeño en
términos subjetivos.

”Conexión inteligente de percepción a acción" [Jones y Flynn]
Joseph L. Jones and Anita M. Flynn colaboraron activamente
con Rod Brooks en el Mobile Robotics
Group en el AI Lab (MIT) from 1984 to 1992. Ellos escribieron
el libro Mobile Robots: Inspiration to Implementation.
¿Qué es inteligente?

”Una máquina programable capaz de percibir y actuar en el
mundo con cierta autonomía" [Sucar, Department of
Computing, Tecnológico de Monterrey, Intelligent Systems
Laboratory]
¿Qué es “cierta
autonomía”?

Un robot “inteligente” es una máquina capaz de
extraer información de su entorno y usar
conocimiento acerca de su mundo para moverse ...
en una manera que obedezca a sus propósitos.
[Arkin]

Robot autónomo:
Son robots que pueden realizar tareas sin intervencion humana.
Deben enfrentarse a entornos cambiantes y no estructurados.
Los robots son autónomos en un cierto grado. Por ejemplo, los
manipuladores mecánicos en una línea de montaje de coches
pueden tener un nivel nulo de autonomía.
Algunas habilidades que pueden tener los robots autónomos:
•desempeñarse por largos períodos de tiempo sin supervisión
humana
•repararse a sí mismos
•adaptar estrategias basado en la información sensada
•navegar entre dos puntos cualquiera y factibles de su entorno
•capaces de aprender
•construir modelos de su entorno

Robot móvil
Aquellos que no están fijos a una base y pueden controlar su
desplazamiento en su entorno por propia iniciativa.

Ambiente
Es aquello con lo que un agente (robot) interactúa.
Un robot tiene una percepción interna del ambiente que
puede (y lo común es que así sea) diferir de la percepción
que tiene un observador (nosotros) del ambiente.
Un modelo del mundo es una representación del ambiente
contenido dentro de la inteligencia de un robot. Esta
representación puede ser construida on-line por el robot
usando algún método para interpretar su percepción, o esta
puede venir dada como un conocimiento a priori. En ambos
casos hay ventajas y desventajas. Una posibilidad es el
conocimiento a priori (si está disponible) con una
construcción en el momento de un modelo del entorno
próximo.

Aplicaciones de los robots con algún grado
de autonomía que no representan un
desplazamiento de puestos de trabajo
humanos
• Remoción y exploración en zonas contaminadas (agentes
químicos, biológicos o radioactivos)
• Accionar en, o explorar zonas donde no es posible acceder
a un ser humano (grandes profundidades acuáticas, el
espacio exterior, incendios, espacios muy reducidos)
• Accionar en, o explorar zonas donde hay un alto riesgo de
la vida humana (desactivar bombas, detectar y/o desactivar
minas terrestres)

Otras aplicaciones
• Agricultura
• Limpieza y remoción de residuos
• Inspección y seguridad
• Asistente de locomoción para personas con dificultades de
traslado
• Traslado, ubicación y almacenamiento de mercaderías
• Relevamiento topológico de terreno
• Etc.

El amplio rango de aplicaciones, incluso sin considerar las que
significarían un desplazamiento en los puestos de trabajo,
implican cada vez más, la necesidad de investigar para:
• generar conocimiento y
• desarrollar para producir tecnología

“Un desafío clave es diseñar algoritmos que
permitan a los robots móviles funcionar
autónomamente en ambientes dinámicos, no
estructurados, parcialmente observables e,
incluso, cuya percepción puede ser incierta”
[Sukhatme and Maja J.Mataric, 2002

Tipos de robot
Humanoides
Bípedos
Cuadrúpedos
Hexápodos
Octopedos
Voladores
Subacuáticos
Vehículos
UAV (unmanned aerial vehicle)
UGV (unmanned ground vehicle)
UUV (unmanned undersea vehicle)
Ninguna de las otras formas

Waseda University. Institute of humanoid robots.
Japón.

Spring Turkey fue el primer robot con patas que caminaba del MIT
Leg Laboratory. Construído por Peter Dilworth y Jerry Pratt. Tenía 4
grados de libertad (dos en cada pata, 1 en la cadera y otro en la
rodilla). El pie era sólo un punto de apoyo.

The Autonomous Extravehicular Activity Robotic Camera Sprint
(AERCam Sprint) NASA
De aproximadamente 35 cm
de diámetro y 17 kgs de peso.
Tiene 2 cámaras de visión y
un sistema de navegación.
Como actuadores tiene 12
pequeños empujadores a gas.

¿Qué vamos a estudiar nosotros?
1. Conceptos básicos, introducción e historia.
2. Sensores y actuadores. Ambiente.
3. Comportamientos
4. Arquitecturas de comportamientos
5. Aprendizaje
6. Robótica colectiva

¿Qué no vamos a estudiar nosotros?
• Cinemática y dinámicas de robots como ejes temáticos
• Sistemas tele-operados
• Teoría de control clásica
• Inteligencia Artificial en un sentido clásico

Historia y confluencia de Cibernética, Inteligencia
Artificial y Biología
Cibernética es la disciplina de la ciencia que estudia los principios
abstractos de la organización en los sistemas complejos. No se
interesa tanto en qué constituye a los sistemas, sino en cómo
funcionan. La Cibernética se enfoca en cómo lo sistemas usan la
información, los modelos y el control de las acciones para
conducirse hacia sus metas, y mantenerlas, mientras actúan en
contra de diversas perturbaciones.
Definiciones de cibernética
Usualmente esta se basó en modelos matemáticos
instanciados en máquinas analógicas.
** Historia desde la cibernética

1953 W. Grey Walter (1910-1977) creó el
robot Machina Speculatrix instanciada en
la tortuga de Walter.
Era un dispositivo analógico con dos
sensores (fotocélula y detector de
choque), dos actuadores (un motor
daba la dirección y tracción) y dos
"células nerviosas" (válvulas
electrónicas).
¿Cómo fueron trasladados algunos conceptos de
la cibérnetica a la robótica?

Atracción: tropismo hacia focos
de atencion. En la tortuga era la
luz.
Aversión: tropismo en contra
de focos adversos (estímulos
valorados como negativos).
Dicernimiento: habilidad de
distinguir entre comportamientos
productivos de inproductivos.
Exploración: moverse es bueno
para evitar ser atrapado pero
esto lo hace enfrentarse a
situaciones impredecibles.
Reflejos simples, combinados, pueden dar
comportamientos complejos e impredecibles.
Criterios de diseño:
Dibujos de Bernarda
Bryson (1950)

Implementación en Lego
por Michael Gasperi

Poseía los siguientes comportamientos:
•Buscar fuente de luz tenue
•Ir hacia la fuente de luz tenue
•Ir en contra de una fuente de luz brillante
•Doblar y empujar. (este comportemiento no hacia
caso del comportamientos influidos por la luz)
•Recargar

Vehículos.
(Braitenberg, Valentino)

**Historia desde la Inteligencia Artificial
Definiciones de Inteligencia Artificial
(1) Hacer que las computadoras hagan cosas que, cuando nosotros
vemos que las hace la gente, son descriptas como indicando
inteligencia.
(2) Winston, 1984: describe IA como la disciplina que construye
sistemas inteligentes útiles y que trata de comprender la
inteligencia humana.
(3) Brooks, 1991: IA es un conjunto de cosas que los humanos
hacen la mayoría del tiempo.

Capacidades o habilidades: conductas que pueden ser
verificadas.
Un individuo, agente o robot puede poseer un conjunto de
capacidades.
Según el contexto, un grupo puede decir que un individuo es
inteligente de acuerdo a las capacidades que manifiesta.
La ambigüedad en torno al término inteligencia no sólo se debe a
la falta de un consenso sino que también obedece a intereses de
un grupo.

¿Cómo fueron trasladados algunos conceptos de
la IA a la robótica?
Hilare (LAAS)
Shakey (SRI)
CART (Standford)
Shakey (‘70)
(SRI)
– una cámara,
– un estimador de posición por
triangulación,
– sensores de choque,
– conectado a una PDP-10 y a
una PDP-15
- comunicación de radio y video.

HILARE (1977)
LAAS en Toulouse, Francia - -
- Video
- Ultrasonido
- Medición de distancia por
ranger laser
- Una versión modificada es
aún usada
- Construía planes
Stanford Cart (1977)
(Hans Moravec)
- Sonar
- Visión
- Construía planes

Shakey era un robot móvil que habitaba un conjunto de cuartos
especialmente preparados.
Las paredes estaban pintadas de un color particular y uniforme.
El piso era de color oscuro quedando definido clramente el límite
con la pared.
La luz era cuidadosamente controlada.
Shakey trataba de satifacer un objetivo que le era mandado por un
teletipo (STRIPS).
Este navegaba entre medio de obstáculos (grandes bloques
poliédricos con sus caras pintadas de diferentes colores para definir
claramente sus bordes) los cuales debía evitar o empujar hasta un
lugar dado.
Tenía una cámara B&N cuya señal era procesada por una
computadora externa y en base a lo que veía operaba con su
modelo del mundo.

STRIPS operaba con
las descripciones
simbólicas y generaba
una secuancia de
acciones para Shakey
que a su vez eran
codificadas en una serie
de acciones primitivas
que se ejecutaban a
lazo cerrado teniendo
en cuenta otros
sensores como uno "de
choque" u odometría.

Acciones
Ir(y)
Empujar(b,x,y)
Subir(b)
Bajar(b)
Encender(i)
Apagar(i)
Hay que incluir el mapa completo
en el momento inicial y el estado
de los interruptores.
Condiciones previas
En(x,r)
Empujable(b)
Sobre(x,p)
Hay que definir que las puertas
están En(puerta,r1) y En(puerta,r2)
si r1 y r2 son contiguos.
Un plan es una secuencia de
acciones que satisfacen una
condición (similar a una solución
en un resolvedor de problemas).
Cada acción tiene condiciones
previas y efectos (que hacen
verdadera una condición).
El plan parte de una condición
inicial o estado inicial del sistema.

Es el estudio del comportamiento de los animales en su
estado natural para permitir inferir sus procesos
subyacentes.
Una diferencia con la cibernética es que la etología realmente
está interesada en como un animal lleva adelante un
comportamiento.
Historia desde la biología
Definición de Etología
La etología estudia el comportamiento de los animales a
la luz de lo que se sabe de su anatomía y fisiología.

Estas conclusiones luego fueron cambiando y actualmente las
explicaciones comparten puntos en comun con el enfoque
basado en comportamientos.
Sin embargo, las inferencias acerca de los mecanismos
que explican los comportamientos en los animales puede
ser revisadas con el tiempo.
Por ejemplo, la IA se apoyo en conclusiones acerca de la
inteligencia animal que avalaban su enfoque. (Mecanismo
de Tinbergen 1950, 1951, donde una red jerárquica
organizada en nodos permitían realizar una completa
selección de acciones [Carlos Gershenson]).

Modelo animal que integra patas y brazos
(Noriho Koyachi, National Institute of Advanced Industrial
Science and Technology, AIST)
Actuación: patas como brazos y brazos como patas basados en
modelo de insectos.

Transporte cooperativo
(Kabu y Ronabeau, Edmon Research Center, Alberta, Canadá
y The Santa Fe Institute, Santa Fe, EEUU)
Coordinación en forma
descentralizada.
Cuando una hormiga
encuentra alguna presa
para el hormiguero, intenta
moverla y si falla, entonces
recruta a más hormigas del
hormiguero mediante
contacto directo o mediante
agentes químicos. Cuando
empiezan a empujarlo,
tanto la posición como
dirección puede parecer un
poco caótica.

Otro enfoque que ha ganado un espacio muy importante
es el modelado de sistemas nerviosos o la construcción de
formalismos cuyas propiedades tienen puntos en comun
con algunas propiedades de los sistemas nerviosos en
seres vivos.
Neurociencias
Sin embargo, el estudio detallado del sistema nervioso en
organismos simples no necesariamente conduce a entender el
comportamiento de los mismos.
Muchos de los formalismos en el área de la redes
neuronales artificiales están basados en la conjetura de
Hebb (1949) sobre cómo se producen cambios en la
eficacias sinápticas entre neuronas.

Estos formalismos presentan varias capacidades como
memoria, clasificación y mapeo entre entradas y salidas.
Estas características pueden ser útiles al momento de sintetizar
(dar lugar a ) comportamientos pero no necesariamente explican
el mecanismo subyacente en organismos vivos.

Situado en un mundo, con cuerpo, la inteligencia surge como un
emergente de comportamientos (reactivos) simples actuados en
un medio físico.
Definición de robótica basada
en comportamientos.
Situado en un mundo: el robot no actúa a partir de un modelo
del mundo sino a través de lo que él directamente percibe. El
mejor modelo del mundo es la propia percepción del mismo.
Con cuerpo: el robot realmente interactúa con su entorno,
mueve sus sensores y su dinámica está condicionadas por
la naturaleza del entorno.

La inteligencia surge de la interacción con el mundo. La
complejidad de un comportamiento puede ser vista como la
reactividad a un entorno complejo.
La actividad que emerge de la concurrencia de un conjunto
de comportamientos puede ser difícil de explicitar, a priori, y
depende del observador.

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