Atrapar una pelota parece un gesto sencillo. Para un robot es uno de los retos más difíciles. Los brazos robóticos de fábricas y laboratorios pueden mantener una posición con precisión de milímetros. Aun así, a la mayoría le costaría sujetar una pelota que llega rápido. La pelota rebota en su mano, pesada y con engranajes muy ajustados, antes de que los dedos tengan tiempo de cerrarse.
Un equipo del RAI Institute (Robotics and AI Institute), un laboratorio de investigación en robótica de Cambridge (Massachusetts), ha encontrado una forma de acercarse a ese gesto tan humano. Su robot, AthenaZero, lanza, atrapa y batea pelotas de béisbol tan bien que ha podido jugar a lanzar y atrapar con una persona. El trabajo se ha publicado en la revista científica Science Robotics.
La clave está en sus brazos. Pesan casi lo mismo que los de una persona y ceden con suavidad cuando algo los golpea. Con ellos, AthenaZero lanzó una pelota a unos 30,8 metros por segundo y atrapó otra a unos 18,3 metros por segundo. También mantuvo un intercambio de hasta 12 lanzamientos con un humano.
Por qué a los robots les cuesta tanto atrapar una pelota
Los robots que caminan han mejorado rápido en los últimos 20 años, gracias a motores eléctricos más avanzados. Con los brazos ha pasado algo distinto. Los investigadores que enseñan a los robots a manipular objetos siguen usando sobre todo brazos comerciales diseñados hace mucho tiempo. En los robots humanoides, el esfuerzo se ha centrado sobre todo en que anden como las personas. Los brazos han quedado en un segundo plano.
Esos brazos comerciales sacan su fuerza y su precisión de una reducción por engranajes muy pronunciada. A menudo, el motor da 80 vueltas o más por cada vuelta de la articulación. Eso tiene un precio. Los engranajes hacen que el motor parezca más pesado para cualquier cosa que toque el brazo. Además, ese efecto crece con el cuadrado de la relación. Si se duplican los engranajes, el motor parece cuatro veces más pesado.
Los ingenieros llaman a esa pesadez percibida «masa efectiva». Por eso una mano con muchos engranajes empuja una pelota ligera en lugar de sujetarla. En los brazos con reductores muy potentes, los motores hacen que el peso que se nota en la muñeca se multiplique por más de dos.
Hay un concepto parecido, la inercia efectiva. Describe cuánto se resiste un objeto a cambiar su movimiento. Cuanto menor es, más fácil le resulta a un brazo acelerar y frenar. Eso puede ayudarle a reaccionar rápido cuando maneja objetos en movimiento.
Los robots industriales convencionales se construyen para ser rígidos y precisos. Esa rigidez los hace muy eficaces en tareas repetitivas, como levantar objetos pesados o colocar piezas en una cadena de montaje. Pero complica las cosas cuando hay que tocar objetos que se mueven de forma imprevisible o que piden un trato más suave.
Así es AthenaZero, un robot con brazos casi humanos
El equipo, dirigido por Andrew S. Morgan, partió de una idea sencilla: unos brazos más ligeros podrían permitir que las máquinas reaccionaran a una escala de tiempo humana. Según Morgan, querían investigar cómo diseñar la masa de un robot y su capacidad para generar fuerza de modo que se parecieran más a las de una persona. El investigador ha explicado que AthenaZero es el primer intento del equipo con este diseño de baja inercia. El estudio se titula «AthenaZero: un robot bimanual de baja inercia para la manipulación dinámica» (traducido del inglés).
El robot mide unos 1,6 metros de altura. Tiene un torso que gira, dos brazos y dos manos de tres dedos. No es un humanoide completo. No tiene cabeza, ni caderas, ni piernas, y se apoya sobre una base fija. Todo el diseño se concentra en los brazos.
Para que el peso no se acumule en el extremo de los brazos, los ingenieros combinaron varias soluciones:
- Motores grandes con engranajes suaves, casi siempre con una relación de cinco vueltas a una, lejos de las 80 o más de los brazos comerciales.
- Los motores que cierran los dedos van en el torso y tiran de los tendones mediante cables de unos 1,8 metros de largo.
- Sensores de presión en la palma y en las yemas de los dedos, que dan a cada mano sensibilidad táctil.
- Articulaciones con actuadores de respuesta rápida, capaces de ceder ante fuerzas externas aunque los segmentos de los brazos sean rígidos.
Esa capacidad de ceder permite al robot seguir moviéndose de forma controlada cuando choca con un objeto o cuando una fuerza actúa sobre él. Así, AthenaZero puede trabajar en un rango de fuerzas más amplio: ser delicado o contundente según lo que pida la tarea.
Según los cálculos del equipo, la masa efectiva de AthenaZero es aproximadamente una décima parte de la de los brazos robóticos colaborativos estándar. En su caso, los motores apenas cambian el peso que se nota en la muñeca.
La comparación con el cuerpo humano también sale bien. Todo lo que hay más allá del hombro de AthenaZero pesa unos 6 kilos. Un brazo humano típico pesa unos 4,5 kilos. El brazo de investigación Franka Research 3 tiene una masa de unos 11 kilos.
La prueba del péndulo
Para comprobar sus cálculos, los investigadores hicieron chocar un péndulo de 1 kilo contra la muñeca de AthenaZero y contra la de un brazo Franka, cinco veces con cada uno. AthenaZero cedió y el péndulo siguió avanzando tras el golpe. El brazo Franka se movió mucho menos y devolvió el péndulo hacia atrás.
La fuerza máxima que recibió AthenaZero fue de unos 124 newtons, frente a unos 208 newtons en el brazo Franka. La ventaja va más allá del béisbol: chocar con un brazo ligero resulta menos peligroso.
Las articulaciones flexibles tienen otra función. Cuando una pelota golpea la mano y el brazo del robot al atraparla, absorben la energía del impacto. Después la reparten por toda la cadena de articulaciones del robot.
Lanzar, atrapar y batear: los datos del experimento
¿Por qué el béisbol? Porque reúne en un solo juego varios de los problemas más difíciles de la manipulación robótica. Lanzar exige coordinar los movimientos para transmitir fuerza a un objeto. Atrapar obliga a reaccionar ante algo que se acerca y a controlar las fuerzas del contacto. Batear añade otro reto: coordinar los dos brazos para colocar el bate y moverlo en el momento justo. Son movimientos muy distintos de los gestos previsibles de una fábrica.
Para las pruebas, el equipo colocó dos copias del robot una frente a otra, a unos 7,3 metros de distancia. AthenaZero completó las tres tareas en estas primeras evaluaciones.
El lanzamiento
Lanzando con un solo brazo, AthenaZero envió una pelota de tenis a unos 30,8 metros por segundo, unas 69 millas por hora. Por lo que sabe el equipo, es con diferencia la pelota más rápida lanzada por un robot con forma humana.
Los lanzamientos más rápidos, eso sí, no eran los más precisos. A veces la pelota se escapaba de la mano antes de tiempo. Por eso el equipo redujo la velocidad del lanzamiento con los dos brazos. Con ese ajuste, una pelota de béisbol cayó dentro de un cuadrado de unos 25 centímetros de lado, a unos 21,4 metros por segundo.
La atrapada
Las atrapadas fueron fiables hasta unos 13,4 metros por segundo. El robot llegó a atrapar una pelota de béisbol a unos 18,3 metros por segundo, con un tiempo de reacción de 0,4 segundos. A esa velocidad, la pelota solía rebotar en la palma antes de que los dedos se cerraran.
Es decir, el robot reaccionaba a tiempo. El problema llegaba con el golpe de la pelota contra la mano. Es justo el punto débil que el diseño ligero intenta resolver.
Ese tiempo de reacción tiene mérito. En un partido real, el lanzador se sitúa a unos 18,4 metros del home. El equipo calculó que reaccionar en 0,4 segundos a esa distancia equivale a atrapar un lanzamiento a 164 kilómetros por hora.
El bateo
Batear fue lo más exigente. Un golpe de bate adelantado o retrasado 2 milisegundos fallaba. Por eso el robot no podía limitarse a repetir un movimiento ensayado. En cada golpe se ajustaba al punto por el que calculaba que la pelota iba a cruzar la zona de strike. Si el lanzamiento iba fuera de esa zona, no bateaba.
Frente a pelotas de tenis lanzadas por su gemelo a unas 30 millas por hora, AthenaZero acertó en 27 de 33 intentos.
Una persona se une al juego
Los dos robots también jugaron a pasarse la pelota. Llegaron a mantener hasta ocho idas y vueltas seguidas. Los fallos solían empezar cuando la mano que lanzaba cogía la pelota del guante de forma descentrada. Entonces el lanzamiento de vuelta se desviaba.
Con una persona al otro lado, el juego duró hasta 12 lanzamientos. Una persona también le lanzó pelotas para practicar el bateo. El robot acertó más o menos tan a menudo como contra su gemelo.
Ese resultado conecta con la idea de partida del equipo. Para compartir un juego con una persona, un robot tiene que reaccionar a su ritmo y no ser peligroso si hay un choque. AthenaZero se diseñó desde el principio con esos dos objetivos.
Lo que todavía no sabe hacer y qué viene ahora
El equipo es prudente con sus resultados. Probó el sistema solo con dos copias de un mismo robot, en un laboratorio y a una distancia menor que la de un campo de béisbol real. Los experimentos buscaban demostrar el potencial del diseño mecánico. No pretendían probar que el robot ya pueda hacer muchos trabajos distintos en el mundo real.
AthenaZero también tiene puntos débiles. Lo que peor se le da es quedarse quieto:
- Sus motores se calientan cuando soportan una carga constante, y las protecciones de software saltan por encima de 80 °C.
- No puede sostener durante mucho tiempo más de unos 2 kilos con el brazo totalmente extendido.
- Es menos exacto: sujetando un peso de 1,8 kilos, la mano terminó de media a unos 12 milímetros del objetivo.
El béisbol es solo un banco de pruebas. AthenaZero forma parte de una investigación más amplia sobre cómo influye la construcción física de un robot en su capacidad para manipular objetos. El equipo no confía solo en un software de control mejor. También estudia si diseñar de otra manera la masa, la inercia y las fuerzas del robot hace más fáciles los movimientos complejos.
La manipulación robótica sigue siendo un gran reto. Los investigadores buscan máquinas capaces de manejar con fiabilidad objetos de formas, pesos y texturas muy distintos. El objetivo final del equipo es la manipulación diestra: que un robot sepa manejar objetos con habilidad y de forma fiable.
Los investigadores planean seguir mejorando el sistema y probarlo en tareas de manipulación más complejas, también en entornos reales y cambiantes. Si el enfoque de AthenaZero funciona en otras tareas, los robots podrían estar mejor preparados para las interacciones físicas rápidas. Hoy esas interacciones siguen siendo difíciles para los brazos rígidos convencionales.
Preguntas frecuentes
¿Qué es AthenaZero?
Es un robot de dos brazos creado en el RAI Institute de Cambridge (Massachusetts) por un equipo dirigido por Andrew S. Morgan. Mide unos 1,6 metros, tiene un torso que gira y dos manos de tres dedos, y se apoya sobre una base fija, sin piernas.
¿Qué ha conseguido en las pruebas de béisbol?
Lanzó una pelota de tenis a unos 30,8 metros por segundo y atrapó una pelota de béisbol a unos 18,3 metros por segundo. Acertó 27 de 33 intentos de bateo contra su gemelo y mantuvo hasta 12 lanzamientos seguidos con una persona.
¿Por qué sus brazos funcionan mejor que los de otros robots?
Usan engranajes suaves, casi siempre de cinco a uno, y llevan los motores de los dedos en el torso. Según el equipo, su masa efectiva es aproximadamente una décima parte de la de los brazos colaborativos estándar.
¿Qué limitaciones tiene todavía?
Sus motores se calientan con cargas constantes, no puede sostener mucho tiempo más de unos 2 kilos con el brazo extendido y, con un peso de 1,8 kilos, la mano queda de media a unos 12 milímetros del objetivo. Solo se ha probado en laboratorio.
Por la redacción de GUAY.news.
Deja una respuesta