REVISTA ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
Vol. 11 Núm. 1 / 2022
CRUZ C., Sistemas robóticos e interfaces inmersivos para aplicaciones robustas de búsqueda exploración
Edición No.11/2022 (10) ISSN 1390- 7395 (1/10)
______________________________________Artículo Científico / Scientific Paper ______________________________________________
- 14 -
Sistemas robóticos e interfaces inmersivos para aplicaciones robustas de
búsqueda exploración
Robotic systems and immersive interfaces for robust search and exploration
applications
Christyan Cruz Ulloa 1
1 Universidad Politécnica de Madrid
Correspondencia Autores: christyan.cruz@car.upm-csic.es
Recibido: 19 de agosto 2022, Publicado: 18 de diciembre de 2022
Resumen— Los entornos de desastre, catástrofes
naturales o atentados, dejan como resultado pérdidas
humanas, en medio de zonas colapsadas de acceso
potencialmente riesgoso para rescatistas, debido al colapso
de estructuras o eventuales explosiones. La Robótica de
Búsqueda y Rescate ha sido una línea con gran auge dentro
de este campo en las últimas décadas, brindando
principalmente soporte a brigadas de intervención. La
implementación de un método es importante para la
identificación automática de víctimas en estos entornos a
través de redes neuronales convolucionales, imágenes
térmicas y ROS (Robot Operating System). Para ello se
utilizan ciertos tipos de robots que tienen características
especiales para búsqueda y rescate debido a su gran destreza
para moverse en terrenos no estructurados, en los cuales
han sido dotados de un sistema especializado de visión
térmica. Para validar este desarrollo se han llevado a cabo
pruebas en entornos pos- desastre reconstruidos. El método
propuesto ha permitido generar mapas 2D enriquecidos con
información de potenciales víctimas e incendios para su
posterior uso. Los principales resultados han mostrado una
eficacia superior al 90% para la identificación de víctimas
totalmente visibles y victimas parcialmente cubiertas por
escombros.
Palabras clave— Robot Cuadrúpedo, ROS, Redes
Neuronales Convolucionales, Imágenes Térmicas, Búsqueda y
Rescate.
Abstract— Disaster environments, natural catastrophes or
attacks result in human losses, in the midst of collapsed areas of
potentially risky access for rescuers, due to the collapse of
structures or possible explosions. Search and Rescue Robotics
has been a booming line within this field in the last decades,
mainly providing support to intervention brigades. The
implementation of a method is important for the automatic
identification of victims in these environments through
convolutional neural networks, thermal imaging and ROS
(Robot Operating System). For this purpose, certain types of
robots are used that have special characteristics for search and
rescue due to their great dexterity to move in unstructured
terrain, in which they have been equipped with a specialized
thermal vision system. To validate this development, tests have
been carried out in reconstructed post-disaster environments.
The proposed method has allowed the generation of 2D maps
enriched with information on potential victims and fires for later
use. The main results have shown an efficiency of more than
90% for the identification of fully visible victims and victims
partially covered by debris.
Keywords— Quadruped Robot, ROS, Convolutional Neural
Networks, Thermal Imaging, Search and Rescue.
I INTRODUCCIÓN
En las últimas dos décadas se han producido 7.348
desastres naturales a nivel mundial que han provocado
aproximadamente 1,23 millones de muertes y afectado a
más de 4.000 millones de personas, según un informe de
la UNDRR (Oficina de Naciones Unidas para la
Reducción del Riesgo de Desastres). En su mayoría son
producidas por inundaciones, tormentas y terremotos,
siendo estas el 40%, 28% y 8% respectivamente. En
catástrofes como grandes tormentas, las víctimas
mortales rondan el 10% de los afectados, mientras que en
los terremotos las víctimas mortales rondan en torno al
49%.
En estos escenarios, la robótica ayuda a la rapidez y
eficacia de su gestión. Las víctimas pueden estar tanto en
la superficie como enterradas bajo escombros. Los robots
de búsqueda y rescate especializados en reconocimiento
y búsqueda de víctimas están diseñados para ayudar a la
localización de aquellas víctimas que se encuentran fuera
de la visión de los operarios o en lugares poco accesibles.
Asimismo, su utilización permite que los operarios no se
expongan a peligros, como por ejemplo nuevos
derrumbamientos.
REVISTA ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
Vol. 11 Núm. 1 / 2022
CRUZ C., Sistemas robóticos e interfaces inmersivos para aplicaciones robustas de búsqueda exploración
Edición No.11/2022 (10) ISSN 1390- 7395 (1/10)
---------------------------------------Artículo Científico / Scientific Paper ______________________________________________________
- 15 -
Se han entrenado diferentes modelos pre- entrenados
de redes neuronales convolucionales, para validar este
método propuesto se ha llevado a cabo una serie de
pruebas en escenarios pos-desastre reconstruidos según
los estándares del NIST (Instituto Nacional de Estándares
y Tecnología). Donde personas simulando ser víctimas se
han distribuido.
La visibilidad de estas ha sido variable, teniendo
personas cubiertas por escombros de manera total o
parcial. Los principales resultados de este desarrollo
muestran una detección de víctimas con un porcentaje
alto para los tres tipos de redes entrenadas. En la
actualidad la detección de víctimas utilizando redes
neuronales e imágenes térmicas ha sido un campo poco
explorado, por lo cual uno de los pilares de relevancia de
este artículo. El sistema implementado tiene una amplia
ventaja sobre sistemas convencionales como cámaras
RGB que no funcionan en condiciones de poca
luminosidad. En estos escenarios, la robótica ayuda a la
rapidez y eficacia de su gestión. Las víctimas pueden
estar tanto en la superficie como enterradas bajo
escombros. Los robots de búsqueda y recate
especializados en reconocimiento y búsqueda de víctimas
están diseñados para ayudar a la localización de aquellas
víctimas que se encuentran fuera de la visión de los
operarios o en lugares poco accesibles. Asimismo, su
utilización permite que los operarios no se expongan a
peligros, como por ejemplo nuevos derrumbamientos.
Las labores de búsqueda y rescate de víctimas son las
actividades realizadas por equipos de emergencia
destinadas a localizar a personas en situación de
emergencia para proceder a sacarlas del peligro. Además,
contempla las labores de tratado y transporte de heridos a
centros hospitalarios. En los últimos años, con el apogeo
de la Visión Artificial debido a las nuevas técnicas que
emplean redes neuronales para tareas como la
clasificación y detección de objetos en imágenes y
videos, se han explorado e investigado su aplicación en
múltiples áreas. Una de estas áreas es la de termografía,
en la que se busca la aplicación de los nuevos modelos de
visión a la detección de objetos o personas, haciendo
especial énfasis en el estudio de estas últimas. Las
principales áreas de aplicación de la visión artificial junto
a termografía actualmente son vigilancia y
reconocimiento facial.
II MÉTODOS Y MATERIALES
Sistema robótico y sensores.
Las partes que conforma un robot móvil (Fig. 1) son las
partes mecánicas, el chasis y la columna que da soporte a
todo el robot, consta además de otros elementos como se
observa en la Figura 1 que son un motor brushless, estos
son muy ocupados en el área de la robótica ya que su
control es muy fiable, se tiene sensores específicos y de
tipo laser, se consta de drivers de controles de potencia,
los sistemas de alimentación y los sistemas de encendido
y tarjetas de control que son los encargados de controlar
de algoritmos del robot y por último se tiene la conexión
inalámbrica.
Figura 1. Partes de los robots
Software y gestión de información
El desarrollo integral se ha llevado a cabo mediante ROS
(Robot Operating System), que en la actualidad es el
protocolo estándar a nivel de desarrollo dentro del campo
de la Robótica.
La Figura 2 muestra el esquema de conexión del
flujo de datos entre el puesto de mando y el Robot en
campo. El procesamiento a nivel de robot se ejecuta en
uno de sus ordenadores a bordo donde se generan los
mapas de entorno y se ejecuta el control a bajo nivel del
sistema de locomoción. Por otra parte, en el puesto de
mando se recibe toda la información y se ejecuta el
procesamiento a alto nivel. Se procesa en tiempo real la
imagen térmica transmitida mediante la red neuronal para
determinar donde existe una potencial víctima y a su vez
colocar una marca dentro del mapa. Por otra parte, se
envían comandos de velocidad lineal y angular para
continuar con la exploración dentro del entorno.
La ventaja de ROS es que su gestión de
comunicación es mediante tópicos, que genera una mayor
eficiencia en la redivisión de mensajes y estos mensajes
pueden ir desde bytes hasta imágenes y matrices
completas entre otros. Otra de las ventajas de ROS es un
sistema centralizado donde el master se encuentra en el
ordenador más potente y los esclavos pueden estar en
campo con una conexión remota
REVISTA ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
Vol. 11 Núm. 1 / 2022
CRUZ C., Sistemas robóticos e interfaces inmersivos para aplicaciones robustas de búsqueda exploración
Edición No.11/2022 (10) ISSN 1390- 7395 (1/10)
______________________________________Artículo Científico / Scientific Paper ______________________________________________
- 16 -
Figura 2. Software de los robots
Movilidad en entornos complejos reales
Para que esto no sea una problemática se deben usar
robots con sistemas de locomoción específicos, como los
cuadrúpedos (Fig. 3). Este tipo de robots se caracteriza
por tener un rango de libertad que consta, si existe un
terreno con un desnivel gracias a su control en tiempo real
se hace más fácil que el robot atraviese este tipo de
camino.
Las altas velocidades que puede alcanzar este robot lo
hacen muy ideal para desplazarse en entornos de
desastres.
Figura 3. Robots Cuadrúpedos
Otro tipo de robot que se utiliza en las operaciones de
búsqueda son los robots oruga (Fig. 4), debido que poseen
una gran tracción y gran agarre al suelo, lo que le permite
al mismo tiempo subir superficies inclinadas con
pendientes superiores a los 30° y superar obstáculos como
escaleras, escombros.
Figura 4. Robots Oruga
Otro robot que se utiliza son los Antropomórficos (Fig.
5), este tiene una configuración de patas de tipo C y la
combinación de locomoción trípode es capaz de
desarrollar movimientos complejos y desplazarse a
velocidades regulares
Figura 5. Robots Antropomorfos
El robot con ruedas (Fig. 6) se utiliza para distancias
largas en terrenos con condiciones de operación, puede ir
a las zonas de desastres para inspección. Los robots con
ruedas son más sencillos y más fáciles de construir, la
carga que pueden transportar es mayor, relativamente.
Tanto los robots basados en cadenas como en patas se
pueden considerar más complicados y pesados,
generalmente, que los robots de ruedas para una misma
carga útil.
Figura 6. Robots de ruedas
REVISTA ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
Vol. 11 Núm. 1 / 2022
CRUZ C., Sistemas robóticos e interfaces inmersivos para aplicaciones robustas de búsqueda exploración
Edición No.11/2022 (10) ISSN 1390- 7395 (1/10)
---------------------------------------Artículo Científico / Scientific Paper ______________________________________________________
- 17 -
III PRUEBAS Y RESULTADOS
Las problemáticas que han surgido sobre la tecnología
se basan en el:
Control/ tele operación y gestión de información de
sistemas robóticos en campo
Las distintas soluciones que se han dado para esta
problemática se basan en interfaces de realidad virtual
(RV) e interfaces de realidad mixta (RM), donde las
actividades que se realiza con cada realidad aportan en un
ámbito específico de la problemática, puesto que en la RV
se incluye un ambiente simulado para el operario donde
solo necesita de los visores para poder simular una
condición real con consecuencias reales pero controladas
y sin exposición a ningún peligro gracias a los sensores
de temperatura, sensores de proximidad, entre otros
muchos sensores que permiten vivir un experiencia lo
más real posible.
Por otra parte, se tiene que la RM la cual es una
tendencia en el día de hoy puesto que presenta mayor
control de simulaciones con respecto a la RV, en la RM
no solo se puede visualizar el campo de acción sino
también posee un ambiente propio lo más parecido al real
donde se podrá sentir de mejor manera ya sea la superficie
de trabajo, se tiene mayor control en herramientas.
Este tipo de herramientas un tanto futuristas se planea
aplicar en los siguientes campos:
- Reconstrucción y análisis de entornos
desconocidos (PC/ PC+term).
- Asistencia a equipos de rescate
- Asistencia a víctimas con equipos de
comunicación, botiquines, entre otros.
- Identificación y localización de víctimas y
rescatistas/ transeúntes/ (PC/ PC + term)
Estas aplicaciones permiten contribuir a la sociedad
no solamente al área automotriz, sino también médica,
mecatrónica, software, entre otras ramas de la ingeniería.
Este tipo de aplicaciones ayuda a reducir el peligro del
trabajo a realizar ya sea por la dificultad del terreno, ya
sea por temas de salud o distanciamiento, por temas de
alto riego, entre otros.
IV CONCLUSIONES
El uso de sistemas embebidos, redes neuronales y
robots específicos generan soluciones robustas a
aplicaciones en entornos reales
Las tecnologías inmersivas RV/RM permiten
gestionar sistemas robóticos altamente complejos,
mediante interfaces e interacción con el entorno.
Los sensores específicos (lidar, cámaras térmicas)
permiten generar aplicaciones robustas en entornos de
desastre gracias a su principio de funcionamiento.
Los diferentes sistemas de locomoción (patas/
orugas/antropomórficos) facilitan desplazamiento a lo
largo de entornos no estructurales.
REFERENCIAS
[1] Universidad de las Fuerzas Armadas [@Universidad
de las Fuerzas Armadas ESPE sede Latacunga]. (03
de septiembre del 2021). II Congreso de ciencia y
tecnología ESPE 2021 con enfoque en ingeniería
automotriz y mecatrónica.
[2] Reyes, B., Gómez-Rosero, S., Peralta- Zurita, D.,
Ronquillo, C., Flores, A., Pastas, J., & Karolys, B.
(2018). Diseño de un agente robótico especializado
en búsqueda de objetivo común basado en sistemas
de robótica de enjambres. UTCiencia" Ciencia y
Tecnología al servicio del pueblo", 5(1), 21-29.
[3] Díaz Umaña, C., & Salas Laurens, S. M. (2017)
DORA-E, Sistema robótico de búsqueda y
navegación.
[4] Cruz Ulloa, C., Prieto Sánchez, G., Cerro Giner,J. D.,
& Barrientos Cruz, A. (2022). Sistema robótico
inteligente de exploración térmica para Misiones de
búsqueda y restate.
[5] Bermudez, G., Nova, K. S., & Infant, W. (2004). La
robótica en activities de búsqueda y restate urbano.
Origen, actualidad y perspectivas. Tecnura, 8(15),
97-108.
[6] Solís-Ortega, R. (2017). Enjambres de robots y sus
aplicaciones en la exploración y comunicación. In
Memorias de congresos TEC.
[7] Vértiz-Hernández, J. A., Rodríguez- Salas, L., Vital-
Ochoa, O., & Medina-Ibarra, D. I. Robot Móvil
Autónomo y Tele operado. Circuitos y Sistemas
Multidisciplinar Vol., 16.
[8] Gutiérrez Castillo, V. A., & Salas Cárdenas, D. A.
Diseño y simulación de arquitectura cuadrúpeda
tipo canina utilizando sistema robótico modular
mecabot.
[9] Alcoba, M. S., & Muñoz, G. P. Comparación de
Métodos de Búsqueda Robótica para apoyar al
Desminado Humanitario Comparison of Robotic
Search Methods to support Humanitarian Demining.
[10] Girón, M., Molina, W., & Palacios, C. Y. Una
Arquitectura de Agente Robótico Móvil para la
Navegación y Mapeo de Entornos de Trabajo. para
la búsqueda posterior a un sismo, y mitigación de
incendios de baja escala.
[11] Cruz, C., Cerro, J. D., & Barrientos, A. (2022).
Robótica colaborativa de búsqueda y rescate, una
clasificación basada en interacción física. In XLIII
Jornadas de Automática (pp. 679-686).
Universidade da Coruña. Servizo de Publicacións.
REVISTA ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
Vol. 11 Núm. 1 / 2022
CRUZ C., Sistemas robóticos e interfaces inmersivos para aplicaciones robustas de búsqueda exploración
Edición No.11/2022 (10) ISSN 1390- 7395 (1/10)
______________________________________Artículo Científico / Scientific Paper ______________________________________________
- 18 -
[12] Laura Ramos, E. D. D. Y. (2020). robot de
exploración, reconocimiento y ayuda en rescate
humano.
[13] Álvarez, F. R., Garzón, J. Á. M., Vargas, B. N. L.,
Ordóñez, M. A. L., & Godoy, J. D. F. (2021). sistemas
inteligentes autónomos para ejecutar misiones de
búsqueda y reconocimiento. Encuentro Internacional de
Educación en Ingeniería.
[14] Martín García, R. (2021). Arquitectura para robots
de búsqueda y rescate urbano mediante el uso de
algoritmos de anti feromonas.
[15] Abderrahim, M. Desarrollo de un sistema robótico
de triaje rápido para situaciones de catástrofe
[16] Bent, E., Shayler, P., La Rocca, A. (2011). The
effectiveness of stop-start and thermal management
measures to improve fuel economy. University of
Nottingham.
