Robot Nomad
El próximo explorador
La tierra tambien tiene parajes inóspitos donde la investigacion o búsqueda se hace casi insoportable. Pero ya se han inventado máquinas como “Nomad” para solucionarlo.
Desde que la carrera espacial fuera ganada por goleada por los estadounidenses aquel 30 de julio de 1969 en que el Neil Armstrong puso su blanco zapatito en la Luna, los presupuestos para que los humanos vayan de turismo allende la Tierra son cada vez más limitados. Si además se tiene en cuenta que las sondas espaciales como la Pioneer llevan funcionando desde hace quince años, enviando datos desde el otro confín del sistema solar, se comprenderá que la proporción coste/beneficio ("el ratio" que le dicen los ejecutivos de vía estrecha, ignaros de que el latinajo que ellos creen inglés es femenino) de las misiones no tripuladas es considerablemente mayor.
Pero una cosa es enviar una tonelada de instrumentos, aparatos de radio y antenas por el éter, donde la única agresión posible son los rayos cósmicos y los micrometeoritos, y otra muy distinta es darse un garbeo por, digamos, Marte o Venus. Y no hay escapatoria: si uno quiere conocer la composición del suelo hay que aterrizar y mirar y analizar. Y para tener más variedad de muestras, si el aparatito puede moverse, pues mejor.
Tal fue el objeto de Mars Pathfinder, aquel robot de seis ruedas cuyas imágenes dieron la vuelta al mundo. Ahora bien, quienes vayan a creer que el Pathfinder era como un coche de R/C, con un par de ávidos ingenieros accionando botones y joysticks desde un centro de la NASA para controlarlo se llevarán una gran sorpresa.
Como la señal tarda unos ocho minutejos de ná en ir desde la Tierra hasta el planeta rojo, cualquier situación del estilo de "¡no, no, por el precipicio NO!" y maniobra de corrección subsiguiente acabaría en grandes lagrimones y puñetazos en la mesa en el centro de control.
Lo que nos lleva a que el aparatito tiene que tener un cierto grado de inteligencia propia.
Orígenes de la Inteligencia Artificial (AI)
En los años cincuenta se desarrollaron los primeros robots que en el mundo han sido. Robot, por cierto, es palabra de origen checo, procedente de una fantasía distópica de los años treinta titulada RUR (Rossum Universal Robot), de Karel Capek, donde los humanos crean unos ayudantes mecánicos que acaban adquiriendo sentimientos y rebelándose, con grande tragedia resultante para el equipo creador, o sea, nosotros. Robota, en checo y otras varias lenguas eslavas significa "trabajo esclavizante".
En los años 50, un científico estadounidense, Grey Walters, creó las "tortugas" Miss Elsie y Elmer. Con tres ruedas y una configuración de circuitos mínima (una célula fotoeléctrica que las guiaba hacia la luz, un programa para evitar luces muy fuertes y otro para dirigirse a un enchufe a cargar las baterías) sus patrones de comportamiento replicaban los de un animal muy, muy simple, como una hormiga, por ejemplo. Curiosamente, la formación de Walters era la neurofisiología…
El siguiente ejemplo de robot autónomo era "the Beast", "la Bestia", una especie de cilindro vertical con ruedas desarrollado por la universidad Johns Hopkins, programado para poder moverse por los pasillos del centro y para conectarse a un enchufe y cargar baterías en cuanto éstas empezaban a bajar el voltaje. El robot pronto "aprendió" a pasarse todo el día casi sin moverse al lado de un enchufe, de ahí su cariñoso nombre.
La robótica ha mejorado mucho después de aquellos años. En realidad, los sistemas de Inteligencia Artificial son cada vez más complejos. Se ha mejorado muchísimo no sólo en los procesadores y los programas básicos colocados en los aparatos, que van desde una tarea simple en una cadena de montaje o un sistema experto hasta una "red neuronal" con multitud de elementos de lo que nosotros llamamos "conocimiento del mundo". Un par de ejemplos clásicos de esta "sensatez" que hay que enseñar a un ordenador de IA es: "después de que Pedro muera ya no podrá tener más hijos" o bien "Si Pedro está en Madrid su pie izquierdo no puede estar en Barcelona". Es fama que uno de los primeros experimentos de inteligencia artificial, llevado a cabo por Marvin Minsky en el Massachussets Institute of Technology, se saldó con un robot intentando apilar una torre de cubos de juguete… empezando por el de más arriba.
Otro campo en el que se ha avanzado enormemente es la capacidad de "percepción" de estas máquinas. Un robot de exploración puede contar con avances tales como telémetros láser, fotómetros, visión estereoscópica y detectores de infrarrojos.
Desde el punto de vista de la carrera espacial, el nec plus ultra de la robótica sería, en este momento, enviar un robot de estas características a Marte que fuera capaz de actuar de manera razonablemente autónoma para realizar trabajos científicos.
Como se verá, la configuración mecánica de un robot todoterreno difiere mucho de la de un automóvil de las mismas características. En un robot científico cuenta menos la velocidad que la agilidad o la estabilidad de la plataforma donde se sitúan los instrumentos. Describiremos ahora las especialísimas características del Nomad, un robot desarrollado para probar en la Tierra su supervivencia y funcionamiento en territorios hostiles. De las lecciones aprendidas con Nomad y muchos otros proyectos se extraerán las características básicas de los próximos robots complejos de exploración en otros planetas. En este caso, Marte.
Nomad es un robot de cuatro ruedas con un chasis transformable y motores en los cubos de rueda. Dependiendo de si está en funcionamiento o se lo transporta, un sistema de bieletas hace que la suspensión se repliegue hacia adentro (posición de estiba) de manera que el robot ocupe 1,8 x 1,8 metros de superficie, o bien dos motores eléctricos alojados en el chasis pueden extender la suspensión hasta la configuración de funcionamiento (2,4 x 2,4 metros). Este chasis transformable permite el giro mediante frenado (como un carro de combate o una excavadora) o la dirección convencional de sistema Ackerman. Para hacer que el vehículo sea más ágil, cada mangueta lleva cuatro bieletas para modificar su posición. Las manguetas de cada lado se mueven por pares y en sentido contrario, de manera que la "huella" al girar es siempre la misma.
La razón para utilizar los dos tipos de dirección es la siguiente: cuando lleva las manguetas replegadas en la posición de transporte, el Nomad puede girar en muy poco espacio mediante la dirección por frenado, pero esto implica un enorme gasto de energía. Con las ruedas extendidas puede girar sobre sí mismo también, colocando cada rueda en una posición diferente, pero sin descargar tanto las baterías.
La suspensión del Nomad se basa en dos bogies laterales que pivotan sobre un eje central. De esta manera se adaptan a la perfección sobre terreno accidentado a la vez que la presión sobre la superficie se mantiene casi constante, mejorando la tracción. La plataforma de los sensores queda estabilizada por un mecanismo mecánico pasivo, lo que permite un cierto grado de libertad en el plano vertical, con un recorrido máximo de suspensión de 50 centímetros.
Los motores del Nomad se encuentran dentro de las ruedas, de manera similar al LRV que sirvió como automóvil lunar y que describimos en Magazin Motor en enero de 2000. Una importante ventaja de este concepto es que cada subconjunto de tracción puede ser prácticamente hermético. Estandarizar estos componentes simplifica y abarata el proceso de diseño. Y se mejora notablemente el control del movimiento.
Cada unidad motriz es independiente de los sistemas de dirección y suspensión. Excepto los cables, no hay unión eléctrica o mecánica alguna entre éstos y el cuerpo del robot.
Cada motor y su transmisión queda ligeramente por debajo del eje de rueda, lo que reduce el centro de gravedad del vehículo. Los motores eléctricos de corriente continua no utilizan escobillas y transmiten el motor a la rueda mediante un acoplamiento armónico y una desmultiplicación en una sola etapa. El engranaje de salida se encuentra en la cara interior del exterior del cubo de rueda.
Los motores eléctricos del Nomad están alimentados por un generador de gasolina.
Para "ver", Nomad utiliza tres cámaras diferentes, un telémetro láser y un espectrómetro. La "navegación" del robot depende de dos pares de cámaras de televisión CCD de gran angular, situadas a ambos lados del mástil central de cámaras del robot. De esta manera, ambas cámaras recogen dos imágenes ligeramente diferentes. Este fenómeno, llamado "disparidad" es el que permite a los robots (y a los humanos) la percepción de profundidad y distancia. En todo momento el robot crea un "mapa de disparidad" de los objetos que están a unos metros de distancia de manera que pueda detectar los obstáculos posibles en su trayectoria. En la Antártida este sistema no funcionó del todo bien debido a la falta de definición de la imagen de la nieve, demasiado blanca y brillante, y fue el telémetro láser el encargado de detectar obstáculos.
Como instrumento científico el Nomad utiliza una cámara montada sobre un brazo articulado. La cámara se puede apuntar hacia una roca, enfocar de cerca y recoger una imagen de alta resolución, que luego Nomad puede clasificar por tamaño, color y textura.
El tercer tipo de cámara utilizado es de tipo panorámico. Está montada justo por encima del robot, y gracias a un espejo convexo puede recoger imágenes esféricas de todo el horizonte, lo que permite a los operadores del robot obtener una amplia visión de todo el terreno, bien sea para navegar o para encontrar muestras de interés. En el Nomad se ha experimentado también en la utilización de la cámara panorámica para recoger y localizar objetos que rodeen al robot, pero su utilización más importante consistirá, en el futuro, en fijar puntos de referencia que permitan una navegación más autónoma todavía y la recogida autónoma de muestras que pudieran resultar interesantes… a entender del propio robot.
Un telémetro láser montado encima de las cámaras estéreo del robot busca obstáculos que pudieran pasar desapercibidos al resto del sistema. Realiza un barrido constante de un trecho situado varios metros por delante de la trayectoria del robot Nomad.
El espectrómetro lleva a cabo análisis químicos de las rocas iluminándolas de cerca con luz incandescente y añalizando la señal reflejada. El sistema cuenta con su propio calibrador para poder llevar a cabo observaciones estándar y fiables. Un convertidor analógico/digital transforma la señal en datos inteligibles por el sistema.
El Nomad dispone de cuatro ordenadores que le permiten procesar todos los datos por sí mismo. Dos PC bajo entorno Windows NT controlan las cámaras panorámicas, llevan a cabo la navegación mediante puntos de referencia y la clasificación autónoma de muestras. Otro ordenador con sistema operativo Red Hat Linux coordina la navegación del robot y su capacidad de evitar obstáculos con las cámaras estereoscópicas y el telémetro láser. Una jaula VME con un procesador Motorola 68060 controla el proceso en tiempo real del Nomad —como, por ejemplo, la traducción de las órdenes de guiado en movimientos de los servomotores— y la supervisión de todos los sistemas de a bordo.
Una de las primeras misiones del Nomad fue una exploración llevada a cabo en el desierto de Atacama, en Chile, durante el mes de julio de 1997. Atacama es el desierto más seco del mundo, y por lo quebrado de su relieve se lo considera una zona tan difícil como Marte o la Luna. El Nomad llevó a cabo una "navegación" de más de 200 kilómetros, durante los cuales los científicos de la NASA pudieron hacer investigación remota (esto es, desde sus despachos en EEUU), se comprobó la capacidad del ingenio para detectar meteoritos escondidos previamente por el equipo de apoyo, recorrió 30 kilómetros de búsquedas absolutamente autónomas y encontró por sí solo varios meteoritos. En esta ocasión el Nomad iba equipado con un magnetómetro que era capaz de distinguir variaciones en el campo magnético de su entorno.
