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Piernas robóticas que se basan en la evolución animal para aprender a caminar

Investigadores de la Universidad de Carolina del Sur (USC) han construido un robot que puede aprender solo a caminar. Inspirados por la forma de aprender de los humanos, y de los animales que han evolucionado para aprender esta habilidad a los pocos minutos de nacer, se espera que la investigación abra nuevas posibilidades en los campos de las prótesis dinámicas y los robots que aprenden sobre la marcha en entornos desconocidos.

La nueva extremidad robótica conectada a una máquina de cuatro patas (Crédito: Matthew Lin)

«Hoy en día, para que un robot esté listo para interactuar con el mundo se necesita el equivalente de meses o años de entrenamiento, pero queremos lograr el rápido aprendizaje y las adaptaciones que se ven en la naturaleza», dice Francisco J. Valero-Cuevas, un profesor de Ingeniería Biomédica.

En pos de este objetivo, Valero-Cuevas y sus colegas desarrollaron una pierna robótica accionada por tendones de tipo animal y controlada por algoritmos de Inteliencia Artificial bio-inspirados. Esto permite que el robot desarrolle la habilidad de caminar de manera similar a los humanos, por medio de lo que se conoce en los círculos de robótica como Motor Babbling (“babbling” es el balbuceo de los bebés que están probando su capacidad de hablar), que implica realizar movimientos exploratorios repetidos.

«Estos movimientos aleatorios de la pierna permiten al robot construir un mapa interno de su extremidad y sus interacciones con el medio ambiente», dice el estudiante de doctorado de ingeniería de la USC, Ali Marjaninejad, autor del estudio.

Los investigadores han desarrollado una extremidad robótica accionada por tendones de tipo animal y controlada por algoritmos de inteligencia artificial específicos.

Al aprender sobre su estructura y entorno, el miembro robótico puede desarrollar su propio andar personalizado y aprender una nueva tarea de caminar después de solo cinco minutos de pruebas puramente descoordinadas. A tal punto que puede recuperarse si tropieza al querer dar su próximo paso con seguridad en el suelo, aunque no esté programado para hacerlo. Los investigadores creen que este es el primer robot capaz de tal hazaña, y están entusiasmados con las posibilidades que abre el avance.
Como explican, los robots pueden programarse para realizar ciertas tareas en ciertos escenarios, pero no se pueden preparar para toda posibilidad. Este tipo de robots, por otro lado, que son capaces de desarrollar sus propios movimientos personalizados en respuesta a su entorno, podrán asumir una gama más amplia de tareas.

«Si se deja que estos robots aprendan de la experiencia relevante, finalmente encontrarán una solución que, una vez lograda, se utilizará y adaptará según sea necesario», dice Marjaninejad. «La solución puede no ser perfecta, pero se adoptará si es lo suficientemente buena para la situación. No todos necesitamos o deseamos, o podemos gastar tiempo y esfuerzo en ganar una medalla olímpica».





Las prótesis sensibles son un área en la que este tipo de tecnología podría tener un impacto, ya que ayuda a las personas con discapacidades, al permitirles extremidades más intuitivas, naturales y que se mejoran a sí mismas. La exploración espacial es otra, donde los robots podrían colocarse en planetas o lunas lejanos y usar sus capacidades de aprendizaje para ajustar su modo de andar y navegar por terreno desconocido.

«La capacidad de una especie para aprender y adaptar sus movimientos a medida que cambian sus cuerpos y ambientes ha sido, desde el principio, un poderoso impulsor de la evolución», dice Brian Cohn, también estudiante de doctorado y autor del estudio. «Nuestro trabajo constituye un paso hacia la capacitación de los robots para aprender y adaptarse de cada experiencia, tal como lo hacen los animales».

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La investigación fue publicada en la revista Nature Machine Intelligence.
Fuente: Universidad del sur de California



Algunas notas sobre programación del robot didáctico programable

En esta publicación: Robot Programable: Diagrama Básico en Bloques prometo, al final, que voy a continuar con los detalles de circuito y de programación. En la entrada: El microcontrolador «cerebro» del robot programable (básico) hay mucho de circuito (hardware), ya que el artículo contiene una descripción bastante detallada de las secciones del chip microcontrolador que utilizamos por ahora, y también detalles de configuración y uso del chip que tienen una enorme relación con la programación.

Concretamente, que algo he cumplido de la promesa.

Los artículos hasta ahora venían más o menos sincronizados con el avance de las clases, pero para esta fecha obviamente estamos en receso de verano y no hay actividad, ni la habría aunque me lo propusiera, ya que por suerte los chicos asisten a una colonia de verano. A mí tampoco el calor me favorece mucho para mover las neuronas, por eso estuve dedicando algunos artículos a la mecánica, a la búsqueda de soluciones para abaratar la construcción de la base mecánica del robot.

De eso aún falta, me quedan algunas cosas por solucionar, y me dedico casi diariamente al tema. Ya les contaré.

El robot programableRobot programable

Pero hay un programa básico ya escrito con el que hemos trabajado en clase, haciendo mover al robot. Este programa (escrito en assembler, o ASM) permite ordenar una secuencia de movimientos al robot. El programa tiene tres niveles: 1) las instrucciones básicas para mover los motores en el lenguaje del microcontrolador (son las mismas para toda la familia PIC16F, y se podrían utilizar en todos los modelos disponibles, si bien nuestro chip elegido es el PIC16F876A), 2) la inclusión posterior de las instrucciones básicas dentro de subrutinas a las que se puede llamar programando con palabras en castellano en lugar de con los mnemónicos de la programación ASM, lo cual facilita la comprensión, y finalmente 3) la conversión de estas subrutinas en macros.




Utilizando macros se programa directamente con la palabra que hemos definido para el comando; ni siquiera hace falta utilizar la instrucción CALL de ASM que se necesita para hacer correr una subrutina.

Voy a explicar poco a poco la programación, en todos los pasos.

Primero que nada: la configuración inicial del chip

Recordemos primero el diagrama en bloques, ya que hay que definir las funciones de las patas del chip teniendo en cuenta este circuito.

Diagrama básico en bloquesDiagrama en bloques
Veamos las instrucciones ASM en la parte de configuración:

 

Es conveniente que vayamos explicando las líneas de instrucciones por partes:

La indicación list P es muy directa, con ella se le dice al programa de compilación que vamos a trabajar en un programa para el PIC16F876A.

La indicación include incluye en el programa, en el momento de compilarlo, todo el texto que se encuentra dentro del archivo que se indica a continuación P16f876a.inc. En estos archivos (provistos por el fabricante) se definen nombres en letras para todas las partes del microcontrolador, que de otro modo deberían estar indicadas en el programa con números hexadecimales. Esta práctica evita el trabajo de estar memorizando o buscando en una tabla estos números, y facilita la comprensión al leer el programa, y permite un fácil intercambio de programas (migración) entre diferentes microprocesadores.

Por ejemplo, dentro de P16f876a.inc define así al puerto A: PORTA EQU H’0005′. Podríamos cambiar la declaración dentro de este archivo y llamar al puerto con un nombre en español, por ejemplo: PuertoA EQU H’0005′. Luego podríamos programar utilizando este nombre y funcionaría correctamente.



Esta línea no es imprescindible y se utiliza para evitar molestas indicaciones de aviso cuando se cambia de banco de RAM en el programa. Las indicaciones no son necesarias si en el programa hemos realizado correctamente los cambios de banco.



Los microcontroladores poseen una serie de configuraciones que se fijan por única vez al principio de la operación y definen ciertas partes esenciales de su funcionamiento. En el ejemplo:

_CP_OFF (Code Protection) define que no protegeremos el código de ser leído desde la memoria de programa del chip. Es posible definir _CP_ON cuando ya tenemos un programa totalmente probado en un equipo que vamos a entregar y no deseamos que alguien se lo copie leyéndolo desde la memoria de programa del microcontrolador.

_XT_OSC define el modo de oscilador de reloj del chip. En este caso, la opción _XT_OSC indica que se utilizará un cristal o resonador conectado al chip para definir la frecuencia de trabajo.

_WDT_OFF está relacionado con la función de «Despertador» («Watchdog timer» en inglés) que se utiliza en aquellos casos en que se desea que el microcontrolador sea «despertado» de posibles estados en que haya quedado detenido, sea porque quedó esperando una señal de activación externa o porque falló su programa o porque se lo puso intencionalmente en ese estado por programa. El watchdog timer (WDT) puede producir un reinicio del microcontrolador PIC cada cierto período de tiempo, y recomenzar la ejecución del programa. Esto es para evitar que el dispositivo entre en un lazo infinito (se «cuelgue»), o se quede en una espera muy prolongada por un determinado evento que no ocurre. Durante la operación normal, el watchdog timer (en español «perro guardián» o «despertador») genera un reinicio del microcontrolador PIC después del final de su período WDT. También cumple la función de sacar al dispositivo del modo Sleep («Dormir»). En este caso el watchdog timer ocasiona que se despierte el microcontrolador PIC y continúe con la operación normal (sin producir reinicio), lo que se conoce como despertar WDT. No lo utilizamos en este programa en particular, de modo que fijamos _WDT_OFF, o sea, Watchdog Timer apagado.

_PWRTE_ON (Power-up Timer) Habilita un temporizador que se dispara en el encendido y permite que, durante su espera, se estabilicen todos los circuitos antes de comenzar a correr el programa.

_LVP_OFF define el modo en que se puede programar el chip. Esta definición en OFF determina que no se puede programar el chip utilizando un sistema de programación de bajo voltaje. Los programadores de PICs utilizan un voltaje de 12 volts en la pata MCLR del chip para poder escribir en su memoria de programa. Al definir el estado OFF de esta configuración se previene una programación accidental (que modificaría el programa y dejaría no operativo al microcontrolador) con los voltajes estándar de funcionamiento en sus patas.

_BODEN_OFF El bit BODEN (Brown Out Reset) en la configuración define la activación o no de una detención del microcontrolador por un descenso de voltaje de alimentación. Puede ser útil, pero no lo utilizamos en este diseño, por eso lo definimos en OFF.



En este bloque se declaran las variables que necesitaremos utilizar (y se reservan sus espacios en la memoria RAM). Por defecto, las variables son bytes (8 bits).



Las líneas de inicialización en este bloque están ampliamente explicadas con comentarios. En la última parte, debo aclarar que los registros TRIS son los que definen si una pata de entrada/salida es una entrada o una salida. Hay un registro TRIS para cada puerto: TRISA, TRISB y TRISC. Un 0 las define como salidas, un 1 las define como entradas. Por último, los microcontroladores con puertos cuyas patas se pueden definir como entradas al módulo Convertidor Analógico Digital (Analog/Digital Converter, o ADC, en inglés) tienen un registro de configuración en el que se debe definir si se utilizarán o no esas patas como entradas analógicas. Esto lo define el registro ADCON1 y el valor a definir para utilizar todas las patas como entrada/salida digital (tal como las utilizaremos por el momento) es 0x06 (hexadecimal 06).

Esencial: La parte del programa en sí

Observando el diagrama en bloques del robot programable, y con una lectura al artículo de apoyo sobre el chip de manejo de motores, podemos determinar que uno de los motores, el derecho, se maneja a través de dos patas del puerto A, RA0 y RA1, y el otro (izquierdo) a través de las patas RA2 y RA3 del puerto A.

La tabla de señales de control para los motores es como sigue:

     MOTOR DERECHO     
|
       MOTOR IZQUIERDO       
    RA0     RA1     ACCIÓN | RA2 RA3 ACCIÓN
    1     0     AVANCE | 0 1 AVANCE
    0     1     RETROCESO | 1 0 RETROCESO
    0     0     DETENIDO | 0 0 DETENIDO
    1     1     DETENIDO | 1 1 DETENIDO


Por lo tanto, las instrucciones de manejo de los motores se pueden definir del siguiente modo:

Para realizar un movimiento necesitamos definir tiempos, y para eso, para empezar, podemos utilizar un simple rutina de «pérdida de tiempo» (el microcontrolador se queda «perdiendo tiempo» dentro de esta subrutina, y no hace ninguna otra cosa). La rutina la calculé utilizando los servicios del sitio Delay Code Generator donde se puede crear un código de retardo para PICs definiendo algunos parámetros (en el futuro usaremos un módulo TIMER del microcontrolador, pero cada cosa a su tiempo).

La rutina de pérdida de tiempo es:


Veamos entonces cómo es un programa que utilice estas subrutinas para ordenar al robot un movimiento en L.


El programa completo en ASM con el método de llamado a subrutinas es el que sigue. Más abajo encontrarán un enlace para bajarse el archivo en formato TXT con el programa completo en ASM listo para compilar. En el próximo artículo presentaré la conversión del programa al método de programación con MACROS y una serie de ejemplos de programas con distintas rutinas de movimiento.


El archivo ASM se puede bajar de AQUÍ.

Robot Programable: Diagrama Básico en Bloques

El robot programable de nuestras clases posee un microcontrolador PIC16F876A como centro de control, un integrado L293D de manejo de potencia para los motores y circuitos auxiliares.

En el momento de introducir la programación al robot se inserta un módulo de comunicación USB/USART que convierte las señales de nivel USB que salen de la PC al nivel TTL utilizado en el microcontrolador.

Diagrama básico en bloquesDiagrama en bloques

La comunicación se establece entre un programa de carga de datos en la PC y el módulo de comunicaciones serie del microcontrolador (USART o Universal Serial Asynchronous Receiver / Transmiter = Receptor / Transmisor Asincrónico Serie Universal), que es controlado en el microcontrolador por un pequeño programa de carga de datos llamado «bootloader«, o cargador inicial.

Este programa se ocupa de tomar los datos que componen nuestro programa a través del puerto serie del microcontrolador (USART), y grabarlos en la memoria de programa. Describiré con más detalles este proceso en el próximo artículo.

En este caso, el microcontrolador PIC16F876A trabaja a una velocidad de reloj de 4 MHz (puede hacerlo hasta 20 MHz). Esto lo determina un cristal conectado a sus patas de oscilador. El cristal, como es habitual, tiene dos capacitores auxiliares en su circuito. Para los observadores, en la imagen que sigue verán otro chip (el que maneja la corriente de los motores), un regulador de voltaje, capacitores y resistores auxiliares, una llave de encendido (de color negro), una llave de reinicio (de color rojo), y hacia la parte baja de la imagen un conjunto de pequeñas llaves deslizantes (llamado DIP switch, también de color rojo y con las llavecitas en blanco) que utilizo para ingresar indicaciones al microcontrolador. Estos indicadores se pueden comprobar en el programa a través de unas entradas y seguir, según su posición, diferentes acciones. En un principio, con las primeras 6 llavecitas se eligen partes del programa que realizan diferentes secuencias de movimiento.

En las imágenes que siguen se puede observar el montaje del robot a nivel de prueba (con plaqueta base de prototipo, o protoboard), primero con la conexión USB-USART inserta, luego el robot libre (tal como funciona al ponerlo en marcha), y el mismo montaje visto de abajo.Robot con cable
Robot sin cable
Robot de abajo


Esta imagen muestra de cerca la parte de circuito de control.

Detalle del área del controlÁrea de control

En la imagen de abajo se observa un detalle del área del microcontrolador, el cristal con sus capacitores, y la llave que se utiliza para reiniciar (reset) al momento de programar o de reponer el funcionamiento del robot a sus condiciones iniciales.

Detalle del área del microcontroladorÁrea del microcontrolador

El microcontrolador maneja los motores derecho e izquierdo utilizando un amplificador de potencia L293D. Las señales de control son 4, dos para cada uno de los motores, y permiten seleccionar tres estados: marcha adelante, marcha atrás y detención.

Detalle del L293D y su conexión con el microcontrolador.Área del control de motores

El arranque de los motores puede generar bajones de tensión en los 6V que aportan 4 pilas recargables tamaño AA de 1,5V. Por eso entre las pilas y la alimentación del microcontrolador se insertó un regulador de voltaje LM2940CT-5.0 que lleva los 6V a 5V, y que tiene a su salida un capacitor electrolítico de alto valor que ayuda, con su carga, a mantener estable el voltaje de la parte de control en los momentos en que los motores producen bajones de tensión al arrancar. La parte de los motores se alimenta directamente con 6V, en la etapa previa a la regulación.

En la imagen, un detalle de la parte de regulación de voltaje.Área de regulación de voltaje

El microcontrolador recibe su programación a través de dos señales, RX, o recepción, y TX, o transmisión. Esto configura la comunicación serie entre el microcontrolador del robot y el programa en la PC que envía los datos a programar.

Detalle de la conexión entre el módulo adaptador entre el puerto USB de la PC y el puerto USART del microcontrolador.Área de interconexión con la PC

El módulo tiene 4 contactos enchufables, y se desenchufa para operar el robot dejándolo moverse libremente.

Se observan en el circuito unos pequeños capacitores azules de 0,1 uF, llamados capacitores de desacople, que sirven para filtrar los ruidos de alta frecuencia producidos por las chispas de las escobillas de los motores, que podrían interferir con el funcionamiento del microcontrolador.

La imagen señala la posición de estos capacitores.Capacitores de filtro

Aquí se observan una cantidad de módulos comerciales de adaptación
del puerto USB de la PC al puerto USART de un microcontrolador.
Módulos

Continuaré con más detalles de circuito y de programación en los próximos artículos.