Prólogo de Bernard Roth

Mi primer contacto con la robótica se produjo a través de una llamada telefónica en 1964. La persona que llamó fue Fred Terman, autor del mundialmente famoso Radio Engineer’s Handbook, quien por aquel entonces era rector de la Universidad de Stanford. El Dr. Terman me informó que un profesor de informática, John McCarthy, acababa de recibir una importante beca de investigación, parte de la cual requería el desarrollo de manipuladores controlados por computadora. Alguien le había sugerido a Terman que sería prudente que McCarthy, con una orientación matemática, tuviera algún contacto con diseñadores mecánicos. Como yo era el único profesor de Stanford especializado en diseño de mecanismos, Terman decidió llamarme, a pesar de que no nos conocíamos y yo era un joven profesor asistente recién graduado con solo dos años en Stanford.

La llamada del Dr. Terman me llevó a una estrecha colaboración con John McCarthy y el Laboratorio de Inteligencia Artificial de Stanford (SAIL), fundado por él. La robótica se convirtió en uno de los pilares de toda mi carrera académica, y he mantenido mi interés por la docencia y la investigación en este campo hasta la actualidad.

La historia moderna de la manipulación robótica se remonta a finales de la década de 1940, cuando se desarrollaron brazos servoaccionados en conexión con sistemas de manipulación maestro-esclavo utilizados para proteger a los técnicos que manipulaban materiales nucleares. Los avances en este campo han continuado hasta la actualidad. Sin embargo, a principios de la década de 1960, la actividad académica y comercial en robótica era muy escasa. La primera actividad académica fue la tesis de H. A. Ernst, en 1961, en el MIT. Utilizó un brazo esclavo equipado con sensores táctiles y lo controló por computadora. La idea de su estudio era utilizar la información de los sensores táctiles para guiar el brazo.

A esto le siguieron el proyecto SAIL y un proyecto similar iniciado por el profesor Marvin Minsky en el MIT, que eran las únicas iniciativas académicas importantes en robótica en aquel momento. Hubo algunos intentos de desarrollar manipuladores comerciales, principalmente relacionados con la producción de piezas en la industria automotriz. En EE. UU. se experimentaban dos diseños diferentes de manipuladores en la industria automotriz: uno de American Machine and Foundry (AMF) y el otro de Unimation, Inc.

También se desarrollaron algunos dispositivos mecánicos como prótesis de mano, pierna y brazo, y poco después, algunos exoesqueletos para mejorar el rendimiento humano. En aquella época no existían microprocesadores. Por lo tanto, estos dispositivos no tenían control informático o estaban conectados a una minicomputadora remota, o incluso a una computadora central.

Inicialmente, algunos en la comunidad informática creían que las computadoras eran lo suficientemente potentes como para controlar cualquier dispositivo mecánico y lograr un rendimiento satisfactorio. Pronto comprendimos que no sería así. Empezamos con una doble vertiente. Una era desarrollar dispositivos específicos para SAIL, de modo que las demostraciones de hardware y los sistemas de prueba de concepto estuvieran disponibles para que la incipiente comunidad robótica pudiera experimentar con ellos. La otra vertiente, que surgió prácticamente a partir del trabajo en SAIL, era el desarrollo de una ciencia mecánica básica de la robótica. Tenía la firme convicción de que se podía desarrollar una ciencia significativa, y que sería mejor pensar en conceptos generales en lugar de concentrarse exclusivamente en dispositivos específicos.

Casualmente, resultó que ambas trayectorias se complementaban de forma muy natural y, lo más importante, los estudiantes adecuados estaban interesados ​​en investigar en esta área. Los desarrollos de hardware resultaron ser ejemplos específicos de conceptos más generales, y los estudiantes pudieron desarrollar tanto el hardware como la teoría.

Originalmente, compramos un brazo para empezar rápidamente. Un grupo del Hospital Rancho Los Amigos, en Los Ángeles, vendía un brazo exoesqueleto controlado por un interruptor lingual y accionado por motor para ayudar a pacientes sin control muscular en los brazos. Compramos uno y lo conectamos a una computadora PDP-6 de tiempo compartido. El dispositivo se llamó Butterfingers; fue nuestro primer robot experimental. Se grabaron varias películas que mostraban control visual, tareas de apilamiento de bloques y evasión de obstáculos, con Butterfingers como protagonista.

El primer manipulador que diseñamos por nuestra cuenta se conocía simplemente como Brazo Hidráulico (Hidraulic Arm). Como su nombre indica, funcionaba con sistema hidráulico. La idea era construir un brazo muy rápido. Diseñamos actuadores rotatorios especiales y el brazo funcionó a la perfección. Se convirtió en la plataforma experimental para probar el primer análisis dinámico y el control optimizado en tiempo de un brazo robótico. Sin embargo, su uso fue limitado, ya que las velocidades de diseño eran mucho mayores de lo requerido debido a las limitaciones de las capacidades computacionales, de planificación y de detección comunes en aquel entonces.

Intentamos desarrollar un brazo verdaderamente digital. Esto dio como resultado una estructura serpenteante llamada Orm (serpiente en noruego). El Orm tenía varias etapas, cada una con un conjunto de actuadores neumáticos inflables que se extendían o contraían por completo. La idea básica era que, aunque solo se podía alcanzar un número finito de posiciones en el espacio de trabajo, estas serían suficientes si hubiera un gran número de posiciones. Se desarrolló un pequeño prototipo de prueba de concepto de Orm. Esto llevó a la conclusión de que este tipo de brazo no sería realmente útil para la comunidad SAIL.

El primer brazo verdaderamente funcional de nuestro grupo fue diseñado por Victor Scheinman, quien por aquel entonces era estudiante de posgrado. Se trató del exitoso Brazo Stanford, del cual se fabricaron más de diez copias como herramientas de investigación para su uso en diversos laboratorios universitarios, gubernamentales e industriales. El brazo contaba con seis articulaciones accionadas independientemente, todas accionadas por servomotores de corriente continua (CC) controlados por computadora. Una articulación era telescópica (prismática) y las otras cinco rotatorias (revolutas).

Mientras que la geometría de Butterfingers requería una solución iterativa de la cinemática inversa, la configuración geométrica del Stanford Arm se eligió para que la cinemática inversa pudiera programarse en cualquier forma cerrada, fácil de usar y eficiente en tiempo. Además, el diseño mecánico se diseñó específicamente para ser compatible con las limitaciones inherentes al control por computadora de tiempo compartido. Se podían conectar varios efectores finales para que actuaran como manos. En nuestra versión, la mano tenía la forma de una mordaza de tornillo de banco, con dos dedos deslizantes accionados por un actuador servo (por lo tanto, un verdadero séptimo grado de libertad). También contaba con un sensor de fuerza de muñeca de seis ejes especialmente diseñado. Victor Scheinman desarrolló otros robots importantes: el primero fue un pequeño brazo humanoide con seis articulaciones giratorias. El diseño original fue financiado por Marvin Minsky, del Laboratorio de IA del MIT. Scheinman fundó Vicarm, una pequeña empresa, y produjo copias de este brazo y del Stanford Arm para otros laboratorios. Vicarm se convirtió posteriormente en la División de la Costa Oeste de Unimation, Inc., donde Scheinman diseñó el manipulador PUMA con el patrocinio de General Motors a través de Unimation. Posteriormente, para la empresa Automatix, Scheinman desarrolló el novedoso sistema multirrobot Robot World. Tras la salida de Scheinman de Unimation, sus colegas Brian Carlisle y Bruce Shimano reorganizaron la División de la Costa Oeste de Unimation y la convirtieron en Adept, Inc., que a día de hoy es el mayor fabricante estadounidense de robots de ensamblaje.

Rápidamente, la tendencia moderna de diseño mecánico y electrónico minuciosamente detallado, software optimizado e integración completa de sistemas se convirtió en la norma; hasta el día de hoy, esta combinación representa el sello distintivo de los dispositivos robóticos más prestigiosos. Este es el concepto básico de mecatrónica, palabra que en Japón se originó a partir de la concatenación de las palabras mecánica y electrónica. La mecatrónica, basada en la computación, es la esencia de la tecnología inherente a la robótica tal como la conocemos hoy.

A medida que la robótica se desarrollaba en todo el mundo, un gran número de personas comenzó a trabajar en diversos aspectos y se desarrollaron subespecialidades específicas. La primera gran división se dio entre quienes trabajaban con manipuladores y quienes trabajaban con sistemas de visión. Al principio, los sistemas de visión parecían ser más prometedores que cualquier otro método para proporcionar a los robots información sobre su entorno.

La idea era que una cámara de televisión capturara imágenes de objetos del entorno y luego usara algoritmos que permitieran analizar las imágenes computacionales de dichas imágenes para inferir la información necesaria sobre su ubicación, orientación y otras propiedades. Los primeros éxitos con los sistemas de imagen se dieron en problemas relacionados con el posicionamiento de bloques, la resolución de problemas de manipulación de objetos y la lectura de planos de ensamblaje. Se consideró que la visión tenía potencial para su uso en sistemas robóticos en conexión con la automatización de fábricas y la exploración espacial. Esto condujo a la investigación de software que permitiría a los sistemas de visión reconocer piezas de máquinas (en particular, piezas parcialmente ocluidas, como ocurría en los llamados problemas de selección de contenedores) y rocas irregulares.

Tras establecerse la capacidad de ver y mover objetos, la siguiente necesidad lógica fue planificar una secuencia de eventos para realizar una tarea compleja. Esto condujo al desarrollo de la planificación como una rama importante de la robótica. Elaborar planes fijos para un entorno fijo conocido es relativamente sencillo. Sin embargo, en robótica, uno de los retos es permitir que el robot descubra su entorno y modifique sus acciones cuando este cambia inesperadamente debido a errores o eventos no planificados. Algunos estudios pioneros en esta área se llevaron a cabo utilizando un vehículo llamado Shakey, desarrollado a partir de 1966 por el grupo de Charlie Rosen en el Instituto de Investigación de Stanford (ahora llamado SRI). Shakey contaba con una cámara de televisión, un telémetro triangulador, sensores de impacto y estaba conectado a las computadoras DEC PDP-10 y PDP-15 mediante enlaces de radio y vídeo.

Shakey fue el primer robot móvil en razonar sobre sus acciones. Utilizaba programas que le otorgaban la capacidad de percepción independiente, modelado del mundo y generación de acciones. Las rutinas de acción de bajo nivel se encargaban de movimientos simples, giros y planificación de rutas. Las acciones de nivel intermedio combinaban las de bajo nivel para realizar tareas más complejas. Los programas de nivel superior podían crear y ejecutar planes para alcanzar objetivos de alto nivel proporcionados por el usuario.

La visión es muy útil para la navegación, la localización de objetos y la determinación de sus posiciones y orientación relativas. Sin embargo, no suele ser suficiente para ensamblar piezas o trabajar con robots donde existen fuerzas ambientales restrictivas. Esto llevó a la necesidad de medir las fuerzas y los pares generados por el entorno en un robot y utilizar estas mediciones para controlar sus acciones. Durante muchos años, la manipulación controlada por fuerza se convirtió en uno de los principales temas de estudio en SAIL y en varios otros laboratorios de todo el mundo. El uso del control de fuerza en la práctica industrial siempre ha ido a la zaga de los avances en investigación en esta área. Esto parece deberse a que, si bien un alto nivel de control de fuerza es muy útil para problemas generales de manipulación, los problemas específicos en entornos industriales muy restringidos a menudo pueden abordarse con un control de fuerza limitado o nulo.

En la década de 1970, áreas de estudio especializadas como máquinas caminantes, manos, vehículos automatizados, integración de sensores y diseño para entornos hostiles comenzaron a desarrollarse rápidamente. Hoy en día, existe un gran número de especialidades diferentes que se estudian bajo el título de robótica. Algunas de estas especialidades son áreas temáticas de la ingeniería clásica dentro de las cuales se han desarrollado resultados que se han particularizado para los tipos de máquinas llamadas robots. Ejemplos de esto son la cinemática, la dinámica, los controles, el diseño de máquinas, la topología y la planificación de trayectorias. Cada una de estas materias tiene una larga historia que antecede al estudio de la robótica; sin embargo, cada una ha sido un área de investigación robótica en profundidad para desarrollar su carácter especial con respecto a los sistemas y aplicaciones de tipo robótico. Al realizar este desarrollo especializado, las investigaciones han enriquecido las materias clásicas al ampliar tanto su contenido como su alcance.

At the same time that the theory was being developed, there was a parallel, although somewhat separate, growth of industrial robotics. Strong commercial development occurred in Japan and Europe, and there was also continued growth in the USA. Industrial associations were formed (the Japan Robot Association was formed in March 1971, and the Robotic Industries Association (RIA) was founded in 1974 in the USA) and trade shows, together with application-oriented technical sessions, were introduced and held on a regular basis. The most important were the International Symposium on Industrial Robots, the Conference on Industrial Robot Technology (now called the International Conference on Industrial Robot Technology), and the RIA annual trade show, which is now called the International Robots and Vision Show and Conference.

The first regular series of conferences emphasizing research, rather than the industrial, aspects of robotics, was inaugurated in 1973. It was sponsored jointly by the International Center for Mechanical Sciences (CISM), based in Udine, Italy, and the International Federation for the Theory of Mechanisms and Machines (IFToMM). (Although IFToMM is still used, its meaning has been changed to the International Federation for the Promotion of Mechanism and Machine Science.) It was named the Symposium on Theory and Practice of Robots and Manipulators (RoManSy). Its trademark was an emphasis on the mechanical sciences and the active participation of researches from Eastern and Western Europe as well as North America and Japan. It is still held biannually. On a personal note, it is at RoManSy where I first met each of the editors of this Handbook: Dr. Khatib in 1978 and Dr. Siciliano in 1984. They were both students: Bruno Siciliano had been working on his PhD for about one year, and Ousama Khatib had just completed his PhD research. In both cases, it was love at first sight!

RoManSy was quickly joined by a host