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FACULTAD DE INGENIERÍA
MAESTRÍA EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Y
COMPUTACIÓN
TRABAJO DE GRADO – PROPUESTA DE PROYECTO – PX1201-NN
TÍTULO DEL
PROYECTO
DATOS DEL
ESTUDIANTE
DIRECTOR DE
TRABAJO DE
GRADO
ASESOR
(opcional)
Modelo de control autónomo y modelo de cooperación para el Teatro Robótico
Andrés Armando De La
Peña Santana
CC 1.018.443.911
CORREO
ELECTRÓNICO
andres.dlps@javeriana.edu.co
andres.dlps@gmail.com
Ing. Enrique González PhD
MODALIDAD
Investigación
egon@javeriana.edu.co
ÁREA DE ÉNFASIS
Sistemas Inteligentes
GRUPO Y LÍNEA DE
INVESTIGACIÓN
TAKINA
Sistemas MultiAgentes
El teatro robótico es un campo de investigación, con una gran expansión en los últimos años,
que permite la incursión de robots en ambientes interactivos con humanos. El teatro presenta
grandes oportunidades para la investigación y desarrollo de habilidades sociales en robots, por
ejemplo, la expresión de emociones o la interacción entre varios robots en un contexto
especifico. Este proyecto consiste en la generación de un modelo de control y un modelo de
cooperación, para robots en el contexto del teatro robótico. Estos modelos se definen para
robots completamente autónomos y de forma que sean de total independencia a la
plataforma o tipo de robot.
RESUMEN
El modelo de control pretende dar al robot la capacidad de comprender y caracterizar una
escena de teatro a partir de una representación inicial de un guion teatral, además pretende
darle la capacidad de tomar decisiones para la realización de una acción. Este modelo de
control estará sustentado en una investigación sobre el contexto del teatro y la evaluación de
las técnicas de control de inteligencia artificial a este mismo contexto.
El modelo cooperativo se realiza con una aproximación multi-agentes, enfocándose en los
principales problemas del contexto teatral, como lo son la coordinación y la comunicación para
resolver posibles conflictos entre robots. Para este modelo se evalúan los posibles protocolos
de comunicación entre agentes y las características relevantes de la obra teatral que requieran
de interacción entre múltiples robots. Este modelo describe como se llevan a cabo acciones
entre dos o más robots en el contexto de una obra de teatro.
La caracterización inicial del guion teatral, se realizara con asesoría de expertos en artes
escénicas. Estas características permiten definir un caso de estudio parametrizable. El
prototipo desarrollado comprende las funcionalidades principales descritas por los modelos y
permite evaluar los modelos por medio del caso de estudio.
OBJETIVO GENERAL
Diseñar un modelo de control autónomo para la toma de decisiones de un robot y un modelo
de cooperación para múltiples robots, en el contexto del teatro robótico.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
OBJETIVOS
1.
Definir una representación computacional para la descripción y definición de una obra de
teatro.
2.
Diseñar el modelo de control de acciones autónomo para un robot.
3.
Diseñar el modelo de cooperación entre múltiples robots.
4.
Implementar un prototipo funcional de los modelos planteados
Evaluar el prototipo por medio de un caso de estudio los modelos diseñados.
La educación a través de la robótica es un campo de rápido crecimiento que ya posee un
impacto significativo en la sociedad. La literatura muestra experimentos con robots en
museos, centros de entretenimiento [MARV2009], y espacios de aprendizaje como escuelas y
jardines, facilitadores remotos y guías de entretenimiento [NIMOM2007], que actualmente
tienen una buena acogida. Las artes escénicas con robots generan grandes retos investigativos
[SMART2010] y apoyan al aprendizaje por medio de campos específicos como el teatro, esto con
el fin de contrarrestar la decreciente falta de habilidades comunicativas de las generaciones
actuales, como es evidenciado actualmente en el contexto colombiano dentro del cual se
encuentra este proyecto de investigación.
PROBLEMA
DE
INVESTIGACIÓN
O
APLICACIÓN
El teatro robótico sigue la larga tradición del teatro, es decir, realizar eventos que son
conocidos como una forma efectiva para llegar al público con el objetivo de compartir o
comunicar algo específico o simplemente para entretener. Existen en la actualidad, grandes
avances en las diversas formas de desarrollar sistemas con múltiples robots que permitan
llevar a cabo una puesta en escena o una obra teatral, como por ejemplo el teatro Roboscopie,
que cuenta con actores robots y humanos [LEMA2012]. Estos avances se ven enfocados a
diferentes tipos de áreas de conocimiento, como por ejemplo, los avances realizados en
interacción hombre-robot, la representación y comunicación de emociones [KNIGHT2012], los
sistemas de adquisición como por ejemplo sistemas de visión artificial, así como investigación
en sistemas de reconocimiento de voz y los mecanismos de interacción y cooperación entre
robots [LU2012], entre otros [MARV2009].
El problema de investigación que se abordara en este proyecto es el diseño de un modelo que
sea óptimo, en la medida en que permita el desarrollo y la integración de la mayor cantidad de
características principales del teatro común al contexto de un sistema con múltiples robots
actores. El problema se enfoca específicamente a mecanismos de toma de decisiones
autónomos y de cooperación entre robots para el teatro robótico.
Para la realización de este proyecto se utiliza una aproximación multi-agentes, por su fuerte
aplicación en la cooperación multi-robot y se evalúan los mecanismos de cooperación basados
en las características de la cooperación definidas por Feber [FERB1999]. Para la garantizar un
nivel de autonomía en la toma de decisiones, también se realiza una evaluación con las
diferentes técnicas de inteligencia artificial, tomando como base la descripción de estas
técnicas desde una aproximación multi-agentes dadas por Weiss [WEISS1999]. Todo esto,
orientado al contexto del teatro robótico y tomando en cuenta las características definidas
para la caracterización de robots en el contexto del teatro realizadas por David Lu [LU2011].
Este problema de investigación se enmarca en un proyecto más grande, que tiene como
objetivo representar obras teatrales completas. Por este motivo este proyecto se
complementa con otros proyectos desarrollados de manera simultánea, que se encargan de la
realización de acciones y la representación de emociones por parte de un actor robot.
Por ultimo, este proyecto pretende abarcar en sus etapas de evaluación, las herramientas y
metodologías diseñadas y desarrolladas por el grupo de investigación TAKINA en el área de los
sistemas inteligentes, algunos ejemplos de esto son el Framework de desarrollo de agentes
BESA [GONZ2003] y la metodología de agentes AOPOA [GONZ2006].
METODOLOGÍA
El diseño del modelo de control y modelo cooperativo para un sistema conformado por
múltiples robots con el objetivo de realizar una representación teatral se dividirá en las
siguientes fases:




Fase de representación teatral
Fase de diseño del modelo de control mono y multi-robot
Fase de implementación del prototipo funcional
Fase de evaluación
Estas fases se articulan de la siguiente manera con los objetivos específicos:
DESCRIPCIÓN
GENERAL
Metodología
Objetivos
1
1
2
2, 3
3
4
4
5
El caso de estudio con el cual se evalúa y valida los modelos planteados, es un elemento
articulador para todas las fases, de manera que permita refinar los modelos durante cada fase.
De la misma forma, esta evaluación iterativa, otorga una retroalimentación apoyada en
expertos, para la mejora del caso de estudio. Este caso de estudio mencionado se plantea
como una obra o guion que abarque la mayor parte de las características del teatro que se
pueda representar y se define en el comienzo del proyecto, aun cuando dentro de la
metodología se presente en la fase de evaluación. Los criterios de evaluación del caso de
estudio se basan en características perceptibles por público e incluso desde la dirección de la
obra y se identifican en la etapa de investigación del teatro y con ayuda de expertos.
FASE 1
REPRESENTACI
ÓN TEATRAL
Esta fase propone un artefacto de software sobre el cual se represente toda la información
necesaria para que varios robots puedan interpretar una obra teatral, este artefacto servirá
como entrada al modelo de control del sistema completo.
Inicialmente, esta fase comprende un periodo de investigación en el contexto del teatro, con
una fuerte colaboración con la facultad de artes, observando los diferentes tipos de obras y
todas las posibles variaciones que se puedan abarcar, a partir del cuales se definirán todas las
características posibles de un guion, de forma que se pueda representar no solo el dialogo de
un robot sino características que permitan determinar las acciones y las emociones del robot
en un instante de la obra. Estas características se definen en una escala de valores
(preferiblemente cuantitativos), en los cuales se puedan clasificar y que sienten las bases para
definir los criterios de evaluación del caso de estudio.
Para la selección de las variables a representar y el diseño del artefacto que representa un
guion teatral, se realiza la evaluación con base a la investigación en el contexto del teatro
robótico y preferiblemente con el apoyo de personas involucradas con las artes escénicas.
Por ultimo, se realizara una evaluación teórica para saber si la representación sirve para
cualquier tipo de obra o guion teatral.
Para el desarrollo de esta fase se realizan las siguientes actividades:
A.
B.
C.
D.
E.
FASE 2
DISEÑO DEL
MODELO DE
CONTROL
MONO Y
MULTI-ROBOT
Investigación y caracterización de un guion teatral.
Selección y descripción de las variables de representación de un guion
Diseño del artefacto en el que se representa el guion.
Documentar y especificar el diseño del artefacto.
Evaluación del módulo de representación con el caso de estudio.
Esta fase abarca el diseño del modelo de control para las acciones que debe realizar un robot
actor (Mono-robot) y el modelo de control para la cooperación entre actores robots (MultiRobot), de manera que se presente adecuadamente una obra de teatro de acuerdo con la
representación del guion.
El desarrollo de la esta fase se encuentra dividido en dos partes importantes, una para cada
modelo. Ambas partes poseen una parte investigativa y selectiva que permitirá una
aproximación apropiada a la hora de realizar el diseño del modelo. La selección de los
mecanismos o técnicas incorporadas al modelo se realiza con base a la evaluación de estas
técnicas aplicadas al contexto del teatro robótico, apoyando esta evaluación con el caso de
estudio definido.
La primera parte, plantea un mecanismo autónomo que permita realizar la asignación de
tareas conforme a las características individuales de los robots descritas en el guion e
ingresados al sistema por medio del módulo de representación, para esto se investiga y
selecciona los posibles mecanismos de control o técnicas de inteligencia artificial que puedan
ser aplicables al contexto del teatro robótico.
La segunda parte, abarca el diseño de los mecanismos de cooperación entre robots para la
realización de acciones coordinadas, de acuerdo a las características definidas en el guion.
Los mecanismos de cooperación y las técnicas que se evalúan se toman de la investigación
sobre el estado del arte, mientras que los criterios de evaluación se basan en la investigación
sobre el teatro y en el apoyo de los expertos en artes escénicas. Por último, para el diseño se
tomaran en consideración metodologías orientas al diseño de sistemas multi-agentes como
AOPOA [GONZ2006].
Para el desarrollo de esta fase se realizan las siguientes actividades:
A. Investigación sobre los mecanismos de control autónomo, en lo que respecta a
asignación de tareas y acciones para un robot.
B. Selección de mecanismos de control autónomos a utilizar con base a la investigación.
C. Diseñar el módulo de control de las acciones de un robot.
D. Investigación sobre los mecanismos de cooperación para sistemas con múltiples
robots.
E. Selección de los mecanismos de cooperación a utilizar con base a la investigación
F. Diseñar el módulo de cooperación para acciones teatrales.
FASE 3
EVALUACION
DE LOS
MODELOS
Esta fase implica la implementación de un prototipo de los modelos planteados y la evaluación
de este prototipo, por medio de la aplicación al caso de estudio. El caso de estudio define un
guion teatral con las características que representen más retos para los módulos de control de
acciones y cooperación.
Este prototipo funcional contiene los componentes principales propuestos en los modelos
diseñados. Para esto se utiliza una metodología ágil de desarrollo de software como XP
(Extreme Programming) [EXTPRO2009] (adaptada a un solo desarrollador), permitiendo
incorporar la mayor cantidad de funcionalidades en un corto tiempo y tomando en cuenta que
las pruebas unitarias se realizan según el caso de estudio y la retroalimentación de expertos en
artes escénicas.
Las características incluidas en el guion permiten variar los parámetros de las pruebas, y de
esta forma poder aplicar un protocolo de prueba en esta etapa. Además, se definen criterios
sobre los cuales se pueda evaluar los resultados de una manera más real y clara para personas
ajenas al ámbito computacional del proyecto. Todo esto con el fin de evaluar de manera más
rigurosa el prototipo y los modelos
A continuación, se desarrolla un proceso en el que se evalúan los resultados de las pruebas y
se corrigen posibles errores de implementación del prototipo. Por ultimo, un análisis de los
resultados finales para la evaluación del impacto del modelo en el teatro robótico.
Para el desarrollo de esta fase se realizan las siguientes actividades:
A.
B.
C.
D.
E.
F.
G.
H.
Selección de componentes y funcionalidades principales de los modelos planteados
Implementación de los componentes de cada modelo.
Integración de los componentes implementados.
Análisis y selección de las características del guion teatral para el caso de estudio.
Análisis y selección de los criterios de evaluación del caso de estudio.
Definición del protocolo de pruebas, aplicado al caso de estudio.
Evaluación de los modelos.
Análisis completo de la evaluación y sus resultados.
RESULTADOS ESPERADOS
ASIGNATURA
MISyC
PROYECTO 1
ASIGNATURA
MISyC
PROYECTO 2
a.
Documento donde se detalla la investigación y la selección y descripción detallada
del caso de estudio para la evaluación de todo el proyecto.
b.
Documento de definición y especificación de las características incluidas en la
representación teatral.
c.
Descripción y documentación del artefacto que permitirá el procesamiento de un
guion teatral
d.
Evaluación del artefacto de representación teatral con el caso de estudio
seleccionado
e.
Documento acerca de la investigación para el modelo de control autónomo, que
abarca los criterios para la selección de mecanismos o modelos que se incluyan en
el modelo para el teatro robótico.
f.
Documentación y descripción del modelo de control autónomo planteado.
a.
Documento acerca de la investigación para el modelo de cooperación, que abarca
los criterios para la selección de mecanismos o modelos que se incluyan en el
modelo para el teatro robótico.
b.
Documentación y descripción del modelo de control de cooperación planteado.
c.
Software del prototipo que incluye los componentes mas importantes de los dos
modelos, al igual que el módulo que permite cargar la información de la
representación teatral.
d.
Documentación del protocolo de pruebas realizado al modelo por medio de la
aplicación del caso de estudio
e.
Artículo de los modelos propuestos. Este artículo será presentado para publicación
en una revista indexada nacional.
f.
Documentos relacionados a la evaluación del modelo completo y documentos
relacionados a la realización general de la tesis (memoria y anexos).
CRONOGRAMA
Actividad
1
2
3
4
1-A
X
X
X
X
X
X
X
1-B
5
6
7
X
X
X
X
1-C
ASIGNATURA
MISyC
PROYECTO 1
8
9
10
X
X
X
11
1-D
X
X
1-E
X
X
12
13
14
X
X
16
17
18
X
X
X
X
2-A
X
2-B
X
X
2-C
4-D
X
X
X
X
X
X
X
4-E
X
X
X
X
X
X
X
Entregas
Actividad
1
2
2-D
X
X
2-E
2-F
X
3
1a
1b
8
9
X
X
4
5
6
7
X
X
X
X
1c
1d
1e
10
11
12
13
X
X
X
X
X
X
1f
14
15
16
X
X
X
X
4-B
X
4-C
4-D
X
X
4-E
X
X
4-F
4-G
4-H
Entregas
17
18
X
X
X
4-A
ASIGNATURA
MISyC
PROYECTO 2
15
2a
2b
2c
2d
2e
2f
IMPACTOS POTENCIALES
Los modelos desarrollados dan las bases teóricas para realizar de obras teatrales con robots, la
cual es una aplicación novedosa y poco trabajada en el campo de la investigación.
DESARROLLO
CIENTÍFICO Y
TECNOLÓGICO
Abre la posibilidad a la creación de empresas de base tecnológicas que basen su mercado en la
robótica para múltiples tipos de entretenimiento.
El proyecto da una aproximación al problema de representación y caracterización de una obra
de teatro, abriendo las puertas para diferentes áreas de investigación en este contexto como
expresión de emociones e interacción hombre-robot.
IMPACTO Y
PROYECCIÓN EN
LA SOCIEDAD
La plataforma que se genera en este proyecto podría ser utilizada en los colegios de la ciudad e
incluso en todo el país, permitiendo que a niños y jóvenes aprender por medio de puestas en
escena realizadas con robots.
Este proyecto puede generar una respuesta positiva por parte de la población joven, a
plataformas robóticas en el campo educativo y de entretenimiento.
El desplazamiento del hombre en el contexto de las artes es ampliamente discutido, sobre
todo con la incursión masiva de la inteligencia artificial en los últimos años, sin embargo este
proyecto pretende ser un apoyo y una ampliación de las artes escénicas, sin en ningún
momento dejar de lado el teatro normal.
IMPACTO ÉTICO
Al igual que en el teatro o en el cine regular, las historias recreadas durante una obra de teatro
puede afectar creencias ideológicas o culturales de algunas por lo que se debe manejar un
marco ético en el cual se asegure que en ningún caso se busca afectar a alguien en específico
con la representación realizada y que en caso de que esto suceda no sea de manera
intencional.
PROSPECTIVA DE INNOVACIÓN
POTENCIAL DE
INNOVACIÓN
El valor investigativo que tiene este proyecto es que genera conocimiento sobre la
representación de expresiones y emociones humanas realizadas por un robot y la base para
la interacción y la toma de decisiones en un contexto especifico como lo es el teatro. Esto
permite buscar que un robot se asemeje a un humano no solo en inteligencia sino en la
forma en que se comunica con humanos y con otros robots. A partir de los modelos
planteados se puede trabajar de manera profunda en la interacción hombre-robot, con
posibles aplicaciones en otros campos de investigación robótica como el baile, la música, o
incluso en deportes.
Debido a que la interacción con humanos será mejorada, será posible aplicar los
conocimientos obtenidos a problemáticas sociales como la educación, en la cual los robots
podrán transmitir conocimiento a partir de representaciones no solo en diálogos, sino
también con movimientos y sonidos para que sea más sencillo transmitir ideas completas.
PROPIEDAD
INTELECTUAL
Este trabajo de grado se realizará dentro del marco de investigación del grupo de
investigación TAKINA, específicamente en el área de sistemas inteligentes, de la Pontificia
Universidad Javeriana de Bogotá. Este proyecto será una parte de un proyecto más grande
sobre el teatro robótico para lograr un impacto social en la educación de niños y jóvenes, en
el contexto colombiano, acerca de competencias ciudadanas. Gracias a esto se contara con
un apoyo interdisciplinar proporcionado por varias facultades como artes, educación e
ingeniería.
Este trabajo también se apoyara en modelos y herramientas ya desarrolladas en la Facultad
de ingeniería en el área de sistemas inteligentes.
Por ultimo, el resultado del proyecto aportará al marco del proyecto global y servirá como
base y sustento para el progreso del mismo. Este proyecto se encontrara disponible dentro
del grupo de investigación, sin ninguna restricción de uso, ya sea este académico ó
empresarial.
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Extreme Programming: A gentle introduction, 2009 [Online]. Available: http://www.extremeprogramming.org/
[FERB1999]
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[GONZ2006]
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[LU2012]
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C.-Y. Lin, C.-K. Tseng, W.-C. Teng, W.-C. Lee, C.-H. Kuo, H.-Y. Gu, K.-L. Chung, y C.-S. Fahn, «The realization of robot
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