Desarrollan una interfaz intuitiva que permite manejar excavadoras con gestos naturales

Ingenieros del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) diseñaron una interfaz de control para excavadoras que reemplaza los joysticks por un brazo mecánico a escala y busca acortar la formación de nuevos operadores, un proceso que hoy puede extenderse durante meses o años y que gana peso en sectores donde la fuerza laboral envejece, informó MIT News, el portal de noticias del instituto.

En las pruebas, el equipo observó que los principiantes que usaron el nuevo sistema rindieron al mismo nivel que los expertos desde el inicio, mientras que con el simulador tradicional basado en joysticks los novatos se mantuvieron por debajo, aunque mejoraron con el entrenamiento. El ensayo se desarrolló durante siete días, con sesiones de una hora por jornada y tareas de dificultad creciente.

El sistema fue concebido como una alternativa al control tradicional para operar maquinaria de obra y también como una posible plataforma de teleoperación en entornos difíciles o inseguros. El dispositivo reproduce la forma de un brazo y un balde de excavadora en miniatura: el usuario lo sujeta y mueve su propio brazo y su mano, mientras una excavadora digital replica esos gestos en un entorno virtual proyectado en seis pantallas.

Hermano Krebs, investigador principal del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, explicó que la propuesta apunta a eliminar buena parte de los “mapas mentales” que un operador debe construir para relacionar el movimiento de los mandos con el brazo, el balde y la cabina de la máquina. En sus palabras: “Esta es una manera más intuitiva de comandar la máquina”.

El sistema igualó a todos desde el inicio

El trabajo fue publicado en Journal of Computing and Civil Engineering. Entre los autores figuran Moises Alencastre-Miranda, Joao Buzzatto y Eran Beeri Bamani, junto con colaboradores de Sumitomo Heavy Industries, fabricante japonés de maquinaria industrial.

La colaboración entre el grupo de Krebs y la empresa comenzó en 2018, cuando los investigadores japoneses buscaban una manera más rápida de formar operadores de excavadoras. El problema, conforme al portal institucional, estaba ligado al envejecimiento acelerado de la población de trabajadores de maquinaria pesada en Japón y al tiempo que demanda preparar reemplazos.

La operación convencional de una excavadora exige que el aprendiz domine la relación entre los joysticks y los movimientos del brazo, el balde y la cabina. A esa traducción se suma la coordinación necesaria para tareas reales como mover rocas, nivelar suelo, retirar escombros o excavar cimientos.

El equipo partió de una hipótesis: si lograba eliminar esa traducción mental, podría reducir de forma importante la curva de aprendizaje. De allí surgió el diseño de un brazo mecánico que imita la estructura de la excavadora y permite controlar sus movimientos de manera directa, con menos intermediación cognitiva.

Krebs llamó a la plataforma “World-Space Interface” o WSI. El nombre alude al espacio exterior a la cabina y a la idea de que el sistema asume la traducción entre el gesto humano y la acción de la máquina sobre el entorno.

El investigador resumió: “Normalmente, los operadores tienen que construir un mapa mental de cómo manipular cosas en el espacio del mundo. Pero ahora podemos simplemente imitar el acto de recoger rocas o tierra, y la computadora hará esa traducción al espacio del mundo por nosotros”.

Participaron 15 entornos virtuales de excavación

Para evaluar el sistema, los investigadores diseñaron simulaciones de 15 escenarios realistas de trabajo: obras de construcción, carreteras, caminos forestales, riberas, áreas mineras y zonas urbanas y rurales. Cada entorno incorporó tareas específicas, entre ellas cargar y descargar arena o grava, excavar y nivelar zanjas, despejar caminos, retirar ramas del borde del agua y romper rocas.

El experimento fue planteado para parecerse a las actividades de un curso semanal de conducción de excavadoras. Participaron voluntarios expertos y principiantes, que operaron tanto la interfaz WSI como su equivalente tradicional con joysticks.

La comparación posterior mostró una diferencia central: en el simulador clásico, los novatos siguieron por detrás de los expertos durante todo el período de formación. Con la nueva interfaz, en cambio, los principiantes alcanzaron ese desempeño desde el primer momento.

Joao Buzzatto, becario posdoctoral del MIT y coautor del estudio, indicó que los joysticks constituyen “una forma no intuitiva de controlar y coordinar la máquina”, y agregó: “Esta es la primera interfaz que no requiere que yo comande la excavadora con joysticks”.

El grupo trabaja ahora en añadir respuesta háptica al brazo físico de la WSI. La meta es que, cuando el operador simule una acción como levantar una pila de rocas, el dispositivo genere una fuerza de respuesta que le permita sentir el peso como confirmación de que la excavadora virtual o remota está ejecutando la maniobra.

Solmon Jeong, ingeniero visitante y coautor, afirmó que esa incorporación podría volver el sistema todavía más intuitivo.

Operación remota de excavadoras en la propuesta

Krebs planteó que la interfaz no solo serviría para entrenar más rápido, sino también para operar máquinas reales dentro y fuera de la cabina. Describió un esquema en el que el operador colocaría su brazo en el dispositivo, “algo así como un exoesqueleto”, para controlar la excavadora desde el puesto de mando.

También mencionó un uso remoto para situaciones peligrosas o de difícil acceso. En ese caso, el operador podría permanecer fuera del sitio, por ejemplo en un remolque, y manejar la máquina a distancia mediante teleoperación.

El portal señaló que varias empresas del sector, entre ellas Caterpillar, Hyundai y Komatsu, ya desarrollan simuladores virtuales para entrenar operadores antes de enviarlos a obra y con vistas a controlar excavadoras desde lejos. El límite de esos sistemas, según el equipo, es que todavía se apoyan en controladores tradicionales que requieren tiempo de aprendizaje.

Si el controlador de brazo y balde se integrara como accesorio en una cabina real o en un simulador de teleoperación, los investigadores prevén que incluso una persona sin experiencia previa podría empezar a trabajar desde el primer día.