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ISSN 1900-8260Junio de 2009 N. 7 Pp 51-61 Publicada en lnea por
la Asociacin Colombiana de Facultades de Ingeniera -ACOFI-
www.acofi.edu.co
Enviado: 30/04/2009 Aprobado: 29/05/2009
LABORATORIO DISTRIBUIDO CON ACCESO REMOTO PARA LA ENSEANZA DE LA
ROBTICAEduardo Caicedo Bravo, Eval Bladimir Bacca, Bayron Andrs
Calvache Universidad del Valle, Cali (Colombia)Jaiber Evelio
Cardona y Jaime Alberto Buitrago Universidad del Quindio, Armenia
(Colombia)
Resumen
Este artculo presenta un laboratorio distribuido con acceso
remoto para la enseanza de la robtica, que corresponde al principal
resultado del proyecto de investigacin aprobado y financiado por
COLCIENCIAS, CINTEL, Universidad del Valle y Universidad del
Quindo. El laboratorio permite el desarrollo de sesiones prcticas
interactivas a estudiantes de ambas universidades sobre plataformas
mviles (Pioneer 3DX) y sobre brazos robticos (Mitsubishi RV-2AJ).
Las tareas normalmente desarrolladas involucran: programacin,
supervisin y visualizacin, esta ltima usando video y/o una
representacin en 2D. Esta herramienta de enseanza en robtica
permite que estas dos costosas plataformas de experimentacin puedan
ser usadas colaborativamente por ambas universidades, mejorando la
comunicacin entre estudiantes, grupos de investigacin y permitiendo
el desarrollo de actividades educativas y/o investigativas
multidisciplinares.
Palabras clave: Robtica, laboratorio virtual, educacin en
ingeniera
Abstract
This paper presents the remote and distributed laboratory for
robotics learning, developed at the Universities of Valle and
Quindo (Colombia). The laboratory allows the students of both
universities to develop programming, supervision and visualization
skills using the Pioneer3DX robot as a mobile platform, and the
Mitsubishi RV-2AJ robotic arm as a manipulator. The user has also
access to video and/or 2D environment representations in real time.
The software tools developed allow collaborative use of expensive
robotic platforms between students, researchers and faculty
members, and it offers the opportunity to develop multidisciplinary
research and educational activities between both universities.
Keywords: Robotics, virtual laboratory, engineering
education.
Indexada en el ndice Bibliogrfico Nacional PUBLINDEX ,en el
Sistema Regional de informacin en Lnea para Revistas Cientficas de
Amrica Latina,
el caribe, Espaa y Portugal LATINDEX. Categora C.
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Ingeniera
Introduccin
La evolucin de las comunicaciones junto al desarrollo de
herramientas y procesos informticos como Internet y las tecnologas
Web, han revolucionado la forma en que se comparten los
instrumentos y las ideas, generando cambios importantes y novedosos
en los sistemas educativos actuales. El aprendizaje autnomo
gestionado a travs de la Web, los sitios Web especializados, las
bases de datos de recursos educativos abiertos, los libros
electrnicos, los cursos, campus y aulas virtuales y los
laboratorios virtuales o remotos, entre otros, desempean un papel
cada vez ms importante en los procesos de enseanza-aprendizaje, ya
que adems de enriquecerlos permiten mejorar su cobertura, logrando
llegar inclusive a estudiantes marginados econmica y/o
geogrficamente (Khamis, 2003), (Sartorius et al., 2005), (Unesco,
2000).
Las nuevas posibilidades de interaccin que ofrece la Internet,
permiten a su vez, el aprovechamiento de recursos humanos y de
laboratorio sin necesidad de establecer una concurrencia geogrfica
y de tiempo. El papel de Internet hoy puede ir mucho ms all que el
de ser un simple medio para la distribucin de informacin, ya que
las posibilidades que ofrece para establecer comunicaciones de
forma bidireccional y acceder a infraestructuras remotas la dotan
de un valor aadido que puede servir como un complemento innovador a
las nuevas metodologas de enseanza (como el aprendizaje activo por
ejemplo) hacindolas ms atractivas y motivadoras para los
estudiantes (Moreno, 2005), (Nez et al., 2008). Adicionalmente y
gracias al espacio virtual que Internet genera, es posible
aprovechar de modo ms eficiente los recursos con los que cuentan
los laboratorios, rompiendo las barreras econmicas, temporales y
espaciales que se presentan al momento de su uso y extensin
(Sanchez J. et al., 2005).
Los laboratorios de experimentacin remota en educacin aparecen
como sistemas basados en equipos reales, que le permiten a los
estudiantes desarrollar trabajo prctico a travs de un computador
conectado a Internet en aquellas reas en donde las actividades de
laboratorio juegan un rol fundamental (Melendez et al., 2001),
(Herrera et al., 2006). Entre
estas reas se destaca la robtica, ya que adems de ser un campo
del conocimiento en constante cambio y con una marcada proyeccin
hacia el futuro, las experiencias en esta rea aportan un marco
innovador para el abordaje de conceptos relacionados con otras
disciplinas (Snchez L. et al., 2005), (Rodrguez et al., 2001). Sin
embargo, muchas instituciones de educacin no disponen de
suficientes herramientas, verstiles y robustas, que permitan la
experimentacin flexible en esta rea.
Cualquier desarrollo en algn tema de la robtica implica
necesariamente la construccin o compra del hardware para soportarlo
o llegar solamente hasta la simulacin, ya que las plataformas
estndar (industriales) para experimentacin son costosas dada su
alta confiabilidad tanto en el hardware como en el software que
incorporan. Esta situacin puede retardar los procesos de
investigacin y aprendizaje, limitando as la posibilidad de
desarrollar, crear y experimentar nuevos mtodos y sistemas en este
campo y entregando el acceso a estas tecnologas a un grupo limitado
de personas. Una de las respuestas a esta problemtica es la creacin
de laboratorios de acceso remoto que gracias a una infraestructura
de comunicacin, como la entregada por Internet, permitan compartir
y optimizar el acceso y el uso de estas plataformas. Se propone
entonces la creacin de un laboratorio distribuido soportado en la
Red Nacional de Tecnologa Avanzada RENATA que permita compartir dos
plataformas: una de robtica mvil y otra un brazo robtico
industrial, ambas de alto costo, de tal manera que estudiantes de
la Universidad del Valle y del Quindo puedan interactuar
directamente con las plataformas mediante su programacin y
supervisin, facilitando y apoyando aprendizaje de conceptos en
robtica relacionadas con ellas.
En las siguientes secciones se presentan los conceptos bsicos
relacionados con los laboratorios virtuales y su impacto en la
enseanza, especficamente en el rea de la ingeniera.
Finalmente, se presenta la arquitectura del laboratorio
distribuido implementado, sus principales caractersticas y las reas
temticas de la robtica que impacta.
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Laboratorio distribuido con acceso remoto para la enseanza de la
robtica
Laboratorios virtuales basados en Internet
Un laboratorio virtual se puede definir como un sistema de
experimentacin basado en una infraestructura de comunicacin, como
la proporcionada por Internet, en donde el usuario y los
dispositivos a controlar (reales o simulados) estn geogrficamente
separados y donde las tecnologas de la informacin y las
comunicaciones se usan para permitir a los usuarios acceder a
dichos equipos (Dalton, 2001), (Khamis, 2003), (TakSum, 1999).
Normalmente las interfaces de experimentacin de los laboratorios
son complementadas con metodologas que guan a los usuarios en la
forma adecuada de configurar y realizar los experimentos, obtener y
descargar los resultados.
Tipos de laboratorios virtuales
Existen variantes de los laboratorios virtuales que se
diferencian principalmente en la forma en la que se realiza la
interaccin entre el usuario y el experimento (Figura 1). Una
posible clasificacin podra ser la
siguiente (Snchez J. et al., 2005):
Laboratorio remoto: se accede a travs de Internet a un sistema
fsico real para su manipulacin di-recta. El software utilizado para
el control remoto puede ser un navegador Web o una aplicacin que
debe ser descargada del servidor del laboratorio. En algunas casos
es posible tener realimentacin visual e incluso de audio, en tiempo
real. Laboratorio virtual monoltico: utilizando un navegador se
descarga una aplicacin (Applet, ActiveX, etc) que opera localmente
como un re-curso simulado. Es decir, la interfaz y el ncleo de
simulacin constituyen un nico objeto. No se necesita la instalacin
de ningn entorno de simulacin, salvo el software necesario para la
ejecucin de la aplicacin (plug-ins, run-time de Java, Labview,
SysQuake, etc). Laboratorio virtual distribuido: el cliente utiliza
una aplicacin (pgina HTML, Applet, ActiveX, etc.) para conectarse
con un servidor en el que se encuentra todo el software de
simulacin. El cliente ejecuta exclusivamente la interfaz en
su computador, establecindose un dilogo a travs de la red entre
la interfaz y el servidor de simulaciones. Laboratorio virtual
hbrido: es anlogo al monol-tico pero necesita obligatoriamente que
el cliente tenga instalado en su computador el entorno de modelado
o simulacin como por ejemplo Matlab/Simulink o LabView.
Figura 1. Tipos de Laboratorios Virtuales
Internet como medio de comunicacin
Internet se usa como medio de comunicacin en el desarrollo de
sistemas de interaccin remota, aprovechando su fcil accesibilidad,
alta disponibilidad, alta flexibilidad y bajo costo. Sin embargo,
al implementar aplicaciones sobre Internet se debe tener en cuenta
diversas condiciones que pueden afectar su desempeo (Barreto et
al., 2004), (Jaising, 2003), (TakSum, 1999), (Xiaoping et al.,
2003), tales como:
Retraso temporal: causado por el efecto de encolamiento, el
tiempo de procesamiento, el tiempo de transmisin en los
interruptores y de propagacin en las conexiones. Reducido ancho de
banda: Causado por la congestin en la red y la interconexin de
mltiples redes de datos entre el transmisor y receptor.Prdida de
paquetes: se origina por exceder la capacidad de la red, lo que
puede ocasionar una prdida de informacin parcial o total. Jitter:
se define como la variabilidad instantnea del retraso temporal, es
decir, el tiempo desde la generacin de un paquete hasta que se
recibe puede fluctuar de un paquete a otro.
Las principales debilidades de los laboratorios re-motos frente
a los tradicionales tienen su origen en
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la prdida de sensacin de presencia y continuidad percibidas por
los usuarios al momento de ejecutar los experimentos (Siegwart et
al., 1999), (Terrence et al., 2001), la cual es causada por los
anchos de banda limitados y los retardos temporales; otro factor
que puede degradar la percepcin del usuario respecto a este tipo de
ambientes es la disminucin en la fiabi-lidad del experimento debido
al Jitter y a la prdida de paquetes (Khamis, 2003), (Chen et al.,
2007).
Los sistemas de experimentacin remota necesitan de un ancho de
banda adecuado para la transmisin de seales de control, informacin
sensorial y realimen-tacin visual. Un esquema para reducir la
cantidad de datos transmitidos se basa en el uso de modelos de
control supervisorio que permitan la interaccin a un nivel ms
abstracto (Xiaoping et al., 2003), (Wang et al., 2005); esto
implica aumentar la autonoma en el sistema remoto. Limitar la
interaccin a comandos de alto nivel ayuda a disminuir el consumo de
ancho de banda mientras que incrementar la autonoma de la
plataforma ayuda a reducir la sensibilidad al retraso temporal. La
realimentacin visual es el componente que exige el mayor consumo de
ancho de banda, por lo que la transmisin de video e imgenes debe
realizarse empleando formatos de compresin (MJPG MPEG4 por ejemplo)
y limitando la frecuencia con la que se enva las imgenes. La
percepcin de movimiento y velocidad pueden degradarse si la tasa de
actualizacin de video es menor a 10 Hz por lo que se recomienda
mantener la transmisin de video al menos a 8 frames por segundo
(Chen et al., 2007). Permitir a varios usuarios utilizar el sistema
simultneamente significa que los recursos del sis-tema deben
compartirse, por lo que algunos tipos de interaccin o realimentacin
deben restringirse segn el tipo de usuario (por ejemplo para
observadores), en especial aquellos que requieren un ancho de banda
alto (Khamis, 2003).
Laboratorios virtuales y educacin en ingeniera
En los ltimos aos los laboratorios virtuales han empezado a
tener un gran impacto en los sistemas educativos, gracias a las
ventajas que se obtienen al utilizar este tipo de tecnologas como
apoyo y com-plemento de los procesos de enseanza-aprendizaje,
especialmente en aquellas reas (como la ingeniera)
en donde las actividades de laboratorio juegan un rol
fundamental (Herrera et al., 2006), (Hetero, 2007), (Msar et al.,
2004), (Moreno, 2005), (Sanchez J. et al., 2005). Entre esas
ventajas se destacan:
Permiten a los profesores una mejor demostracin de los conceptos
fsicos vistos durante las sesiones de clase, simplemente
conectndose al laboratorio virtual y ejecutando los experimentos.
Son una solucin econmica para apoyar los cursos de aprendizaje a
distancia.Permi ten e l acceso a p la ta formas de experimentacin
de alto costo las 24 horas del da 7 das a la semana, entregndole a
los estudiantes la posibilidad de interactuar con ellas. Si se
orientan con una pedagoga y metodologa adecuada pueden fomentar el
trabajo colaborativo y el aprendizaje activo en el estudiante.
Laboratorio distribuido para robtica
El laboratorio distribuido para robtica ha sido desarrollado en
el marco del proyecto de investigacin Laboratorio distribuido con
acceso remoto a travs de RENATA para la experimentacin en robtica.
El laboratorio est constituido por una red de laboratorios remotos,
ubicados fsicamente en las Universidades del Valle y del Quindo,
que apoyan la componente prctica de los cursos de robtica mvil y de
manipuladores, aprovechando las plataformas de experimentacin
disponibles en estas instituciones (robot mvil Pioneer 3DX
Universidad del Valle y robot manipulador Mitsubishi RV-2AJ
Universidad del Quindo) y el canal de comunicacin de alta velocidad
soportado por la Red Nacional Acadmica de Tecnologa Avanzada RENATA
(Figura 2).
Figura 2. Estructura general del laboratorio distribuido para la
experimentacin en robtica
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Laboratorio distribuido con acceso remoto para la enseanza de la
robtica
Este laboratorio distribuido proporciona herramientas de apoyo a
la educacin en el rea de la robtica, ya que suministra a
estudiantes e investigadores un acceso instantneo a interfaces de
experimentacin remota, apoyadas en las herramientas de educacin
virtual disponibles en las Universidades, como el Campus virtual.
La sinergia de estas herramientas promueve y facilita el desarrollo
acadmico y cien-tfico en esta rea, fomentando de esta manera el
trabajo colaborativo, al socializar el acceso a recursos
compartidos mediante infraestructuras de comunica-cin como la
suministrada por RENATA, permitiendo la elaboracin de proyectos de
cooperacin entre instituciones.
En este proyecto se propone una metodologa de aprendizaje para
la robtica mvil y robtica de manipuladores orientada a la teora
prctica y aplicacin. La fase terica es proporcionada a travs de una
clase presencial, tutora o discusin en grupo; luego, la fase
prctica y de aplicacin se realiza usando las herramientas de
aprendizaje que los laboratorios virtuales ofrecen, las cuales
combinan conceptos tericos contextualizados en aplicaciones
definidas. Esta ltima fase est cons-tituida por varias sesiones
prcticas con diferentes aplicaciones, donde cada aplicacin es
pertinente al rea en cuestin, es decir, de robtica mvil y de
manipuladores.
Arquitectura general del laboratorio distribuido
Cada interfaz para la experimentacin remota sobre robots mviles
y manipuladores se basa en un modelo cliente-servidor y est
constituida por cuatro com-ponentes bsicos: la plataforma de
experimentacin (robot mvil Pioneer 3DX o robot manipulador
Mit-subishi RV-2AJ) que acta como servidor de datos, un servidor de
usuarios, los usuarios y la estructura de comunicacin que enlaza
cada componente. El acceso a los laboratorios virtuales se realizar
a travs de los Campus Virtuales de cada institucin, permi-tiendo
que estudiantes de la Universidad del Quindo tomen un curso de
Robtica Mvil y estudiantes de la Universidad del Valle tomen un
curso sobre Manipuladores industriales (Figura 3). El proyecto
contempla un enlace independiente a travs de una interfaz Web, la
cual controla el uso de los recursos por parte de los usuarios,
asigna horarios, permite el
registro de usuarios y la utilizacin de las herramien-tas de
aprendizaje.
Figura 3. Arquitectura del laboratorio distribuido
El servidor de usuarios se enlaza a las plataformas de
experimentacin y mediante las redes de datos de las universidades a
los usuarios finales, tanto externos como internos. Se puede
dividir en dos mdulos independientes: la interfaz de administracin
y el mdulo middleware. La interfaz de administracin se ejecuta
sobre el servidor Web APACHE y adems de albergar las aplicaciones
que sern descargadas y ejecutadas por los clientes involucra un
esquema de informacin (base de datos) para el registro de usuarios,
el almacenamiento de informacin y la administracin y gestin de los
recursos del sistema (datos, video, etc). El nivel de middleware es
el que permite que las aplicaciones (Applets) descargados por los
usuarios puedan comunicarse con los robots para ejecutar los
experimentos. El middleware est basado en la tecnologa de Servlets
de Java. Los Servlets son clientes del Servidor de Datos, por lo
cual pueden acceder a la informacin generada por cada robot.
Igualmente los Servlets emplean el API JDBC para actualizar
continuamente la base de datos del sistema con informacin recibida
segn el experimento ejecutado.
El robot Mitsubishi RV-2AJ es un robot manipulador industrial
que tiene 5 grados de libertad, con una articulacin de tipo
antropomrfico; en conjunto ofrece una capacidad de carga de 2 Kg.
Este robot tiene un alcance de 410 mm y combina una velocidad mxima
de 2100 mm/s con una repetibilidad de 0.02 mm, lo que lo hace ideal
para entornos pequeos y especialmente para prcticas acadmicas e
investigativas. El robot viene equipado con el controlador
Mitsubishi CR1-571, el cual tiene como unidad central de
procesamiento un microprocesador DSP/RISC de 64 bits, que permite
la ejecucin de
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hasta 32 programas en paralelo en modo multitarea. El
controlador cuenta con un puerto serie RS-232 y 16 entradas/salidas
digitales, mediante los cuales es posible comunicar el robot con el
mundo exterior. El CR1-571 es el encargado del sistema de control
del robot.
La comunicacin entre el controlador del robot manipulador y el
servidor de usuarios se realiza a travs del puerto serie RS-232. El
controlador dispone de un puerto dedicado para esta comunicacin y
de la misma forma se dispone de un servidor con este puerto. El
protocolo de comunicacin entre el servidor y el controlador del
robot se obtuvo analizando el software propietario de Mitsubishi
para el control y supervisin de sus robots. Se extrajeron e
identificaron los comandos de movimiento, estado y notificacin de
errores, con el fin de lograr la capacidad de generarlos
independientemente.
El robot mvil Pioneer 3DX, es un robot para interiores de tipo
diferencial. Cuenta con un arreglo de sonares para la deteccin de
objetos y encoders pticos asociados a cada motor, que permiten
determinar continuamente su velocidad y posicin. La plataforma mvil
se comunica a travs de un enlace RS-232 con un computador porttil
que almacena y ejecuta todos los programas de control del robot.
Este computador hace parte de una red LAN inalmbrica (WLAN).
La aplicacin software del robot mvil contiene los programas de
control y supervisin del robot que so-portan los experimentos
desarrollados. La aplicacin se comporta adems como un servidor de
datos que, a travs del enlace inalmbrico, realimenta continua-mente
al servidor de usuarios con la informacin de estado del robot.
Los usuarios del sistema de experimentacin remota acceden a las
plataformas a travs de las Interfaces de Usuario. Cada interfaz
grfica es creada empleando la tecnologa Applet de Java. Al ser un
Applet, la aplicacin se descarga desde el Servidor de Usuarios y
puede ser ejecutada por cualquier navegador Web con soporte Java
(Mozilla, Flock, Internet Explorer, entre otros). En cada ambiente
de experimentacin dispone de una cmara IP Axis 214 PTZ que acta
como un servidor de video. Esta cmara entrega
un flujo de video en formato MJPG, el cual es utilizado por la
aplicacin de usuario para generar una realimentacin visual del
entorno en el que se encuentra cada robot.
Anlisis y discusin de resultados
Uno de los productos del proyecto fue la implementacin de un
campus virtual para los cursos de robtica de manipuladores y
robtica mvil (Figura 4), mediante el cual se gestiona el acceso a
las interfaces de experimentacin remota y se presenta el contenido
de las reas temticas y las practicas a desarrollar. El campus
permite adems controlar el registro de los estudiantes y
administrar los recursos bibliogrficos que apoyan a cada curso.
Figura 4. Campus virtual del laboratorio distribuido
El campus alberga los enlaces a las interfaces de
experimentacin. Estas interfaces se han estructurado con base a una
arquitectura de tres niveles (cliente-middleware-servidor) y sobre
una red de alta velocidad (RENATA), garantizando un ancho de banda
adecuado, retrasos temporales bajos (menores a un segundo) y una
transmisin de informacin sin interrupciones o bloqueos por parte de
los firewall de red.
Laboratorio de robtica de manipuladores
El curso de robtica de manipuladores est fundamentado en la
metodologa de aprendizaje basado en problemas, donde al inicio en
una reunin conjunta entre profesores y estudiantes se plantea
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Laboratorio distribuido con acceso remoto para la enseanza de la
robtica
un problema, cuya solucin se abordar a lo largo de todo el
semestre con un proyecto de curso, apoyndose en la gua del
profesor, los contenidos y las prcticas sugeridas. La meta final es
adquirir las competencias necesarias para controlar y programar el
robot manipulador pero a travs de la solucin de un problema
inspirado en juegos de la vida cotidiana (lanzamiento de un dardo
con el brazo robtico, juego de baloncesto, brazo robtico pintor,
entre otros). Para esto, el estudiante programar secuencias de
movimientos, soportadas por el lenguaje de programacin MELFA BASIC
IV, para que el robot realice una tarea determinada. Los conceptos
de robtica de manipuladores estn fundamentados en la cinemtica
inversa y directa, espacio de trabajo, programacin secuencial de
acciones, seguimiento de trayectorias y realimentacin
sensorial.
La tabla 1 muestra las reas temticas del curso, sus objetivos y
las prcticas propuestas. Una de las prcticas es la teleoperacin del
robot manipulador, donde el estudiante controlar y conocer el robot
manipulador a travs de la interfaz de experimentacin remota. As
mismo, entre los proyectos finales se tiene el proyecto del Robot
Escritor o Dibujante, donde el estudiante deber escribir un texto o
realizar un dibujo sobre un tablero utilizando la interfaz de
experimentacin remota. Otro ser, el proyecto de las Torres de
Hanoi, donde el estudiante programar al robot para que solucione el
problema clsico de programacin de las Torres de Hanoi.
Tabla 1. reas temticas del curso de robtica de manipuladores
apoyadas por las herramientas de la
interfaz de experimentacinTEMA CONTENIDO PRCTICAS OBJETIVOS
1. Introduccin a la robtica
Breve historia. Clasifica-cin y aplicaciones. Ten-dencias.
Diagrama gen-rico. Morfologa de los manipuladores. Brazos mecnicos
y elementos terminales. Actuadores. Sistema sensorial. Sis-tema de
Control. Robot Mitsubishi RV-2AJ.
Teleoperacin del robot
manipulador Mitsubishi
RV-2AJ
Apropiar los concep-tos fundamentales de los robots
manipula-dores
3. Cinemtica y dinmica de un
manipulador
Espacios articular y cartesiano. Cinemti-ca Directa. Cinemtica
Inversa. Cinemtica de Movimiento. Modelo de Lagrange. Modelo de
Newton-Euler. Ejem-plos.
Modelo y din-mico cinemtico
de un robot manipulador
Analizar y estudiar la posicin y orientacin en el plano y en el
espacio del robot ma-nipulador.
Analizar y estudiar los modelos cinemticos y dinmicos de los
robots manipuladores, con el fin de realizar simulaciones de estos
modelos.
3. Control de robots manipu-
ladores
Generacin de trayec-torias. Control de Mo-vimiento en el espacio
articular. Control de Mo-vimiento en el espacio cartesiano.
Control de movimiento
para un robot manipulador
Describir las tcnicas de control de un robot manipulador, as
como las tcnicas para la generacin de trayec-torias que debe seguir
el robot cuando realiza una tarea.
4. Programacin de robots mani-
puladores
Programacin off-line. Programacin on-line. Lenguajes de
progra-macin de robots ma-nipuladores. MELFA BASIC IV.
Programacin del robot
manipulador Mitsubishi
RV-2AJ
Describir los mtodos de enseanza para un robot manipulador,
mediante aprendiza-je directo o mediante lenguajes de progra-macin
de robots.
5. Aspectos prcticos y
aplicaciones
Requisitos de instala-cin. Normas y segu-ridad industrial.
Apli-caciones.
Proyecto Final
Apropiar los criterios, normas y tcnicas ne-cesarias para el
diseo y la implementacin de sistemas robotizados para la solucin de
problemas.
La figura 5, muestra la interfaz remota para la expe-rimentacin
en robtica de manipuladores, que est constituida por dos paneles
principales, uno para la teleoperacin del robot manipulador (Figura
5(a)) y otro para la implementacin de las prcticas (Figura
5(b)).
Figura 5. Interfaz remota para robtica de manipu-ladores: (a)
panel teleoperacin, (b) panel prcticas
Para la teleoperacin se disponen de dos pestaas que permiten
manipular el robot en el espacio cartesiano o modificando la
posicin de cada articulacin. As mismo, permite situar al robot en
una posicin del espacio cartesiano por medio de un dilogo, donde se
fija la posicin desaseada. De la misma forma, se puede manipular la
pinza (abrir y cerrar). Tambin, se dispone de dos paneles para la
declaracin y visualizacin de las posiciones que se utilizarn en el
panel de las prcticas.
El panel para la implementacin de las prcticas, permitir a los
estudiantes crear archivos de posiciones y de programacin en el
lenguaje MELFA
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BASIC IV, para la realizar tareas especficas con el robot
manipulador, que finalmente se convertirn en proyectos que sern
ejecutados en el controlador del robot. Para la teleoperacin y la
ejecucin de los experimentos se dispone de un modulo de video que
entrega al estudiante la realimentacin visual del robot y su
entorno. Se cuenta adems con un modulo que muestra la informacin de
la posicin actual del robot.
Laboratorio robtica mvil
Las herramientas de aprendizaje en robtica mvil estn basadas en
una serie de experimentos que buscan enriquecer y apoyar las reas
temticas del curso (tabla 2). Se crearon diferentes tipos de
experimentos: teleoperacin, seguimiento de muros, seguimiento de
trayectorias, reconstruccin de entornos y navegacin reactiva. Cada
experimento se construye a partir de comportamientos o habilidades
bsicas programadas en el robot; estas habilidades representan las
capacidades sensoras y motoras de la plataforma (Barber, 2000).
Igualmente el usuario puede utilizar la herramienta de
teleprogramacin para combinar habilidades bsicas con el fin de
lograr comportamientos ms complejos que den solucin a problemas
tpicos en robtica (como por ejemplo la navegacin evitando
obstculos).
Tabla 2. reas temticas del curso de robtica Mvil apoyadas por
las herramientas de la
interfaz de experimentacin
TEMA CONTENIDO HERRAMIENTA OBJETIVO
1. Introduccin y motivacin
Definiciones b-sicas, morfologa, niveles de control,
aplicaciones, lneas de investigacin.
Experimento Teleoperacin
Apropiar el conocimien-to de un robot mvil de tipo diferencial
real e interactuar con l.
2. Percepcin y Actuacin
Tipos de sensores, percepcin, sensores en robtica mvil,
conceptos bsicos de movimiento, control de movimiento.
Experimento Teleoperacin,
Seguir Muros, Se-guir Trayectorias, Reconstruccin de Entornos,
Navega-
cin Reactiva
Disear tareas comunes de los robots mviles usando sensores
rea-les (odometra, lser, sonares) y actuadores del robot en
diferentes entornos.
3. Programacin Orientada a Comporta-
mientos
Conceptos bsicos, esquemas de per-cepcin, diseo de controladores
ba-sados en comporta-mientos, esquemas de Actuacin.
Experimento Pro-gramacin basada
en Habilidades
Programar el robot para la realizacin de tareas complejas
(navegacin evitando obstculos por ejemplo). El estudiante dispone
de una serie de comportamientos (habilidades) bsicos que puede
configurar y mezclar usando dife-rentes tipos de
coordi-nadores.
4. Modelo cinemtico y
dinmico de un robot mvil
Conceptos bsicos, modelo cinemtico, modelo dinmico
Experimento Te-leoperacin, Seguir
Trayectorias
Modelar el funciona-miento del robot mvil desde el punto de
vista de su cinemtica.
5. Modelo cinemtico de
sensores
Conceptos bsicos, modelo cinemtico, ejemplo.
Experimento Teleoperacin,
Reconstruccin de Entornos, Seguir
Muros, Navegacin Reactiva
Modelar el funciona-miento real de senso-res de rango (lser y
sonar).
6. Localizacin
Estrategias de loca-lizacin, correccin de errores odomtri-cos,
visin.
Experimento Teleoperacin, Se-guir Trayectorias, Reconstruccin
de
Entornos
Modelar el concepto de localizacin o posi-cionamiento del robot
(odometra) y su fusin con la informacin sen-sorial generada por los
dispositivos de rango (lser) y giroscopio para correccin de
errores
7. Navegacin Deliberativa
Campos de potencial al detalle, estrategias deliberativas
Experimento Se-guir Trayectorias, Navegacin Reac-tiva,
Herramientas deliberativas (en
construccin)
Generar trayectorias para el desplazamiento del robot a partir
de informacin recibida de una cmara de visin global.
8. Cooperacin
Conceptos bsicos, tipos de coopera-cin, la percepcin y actuacin
desde el punto de vista de la cooperacin, proble-mas adicionales de
control que implica la cooperacin.
Herramientas de cooperacin (en construccin)
Interactuar con dos o mas plataformas m-viles buscando que
realicen una tarea coo-perativa.
Cada experimento, incluyendo el de teleprogramacin, se ejecuta a
travs de interfaces grficas independientes. Estas interfaces estn
constituidas por diferentes paneles organizados de acuerdo al tipo
de experimento que se desee realizar (figura 6). Existen paneles
que son reutilizables para todos los experimentos como por ejemplo
el panel de video real, el panel de estado, el panel de sonares y
el panel de consola. Algunos paneles pueden cambiar segn el tipo de
experimento (como por ejemplo el panel del video 2D) y otros son
especficos para cada experimento (como por ejemplo el panel de
control Directo o los paneles de configuracin de parmetros). Cada
panel tiene una funcin particular y en conjunto le entregan al
usuario adems de la capacidad de supervisin y monitorizacin de la
plataforma mvil, una manera de evaluar los resultados del
experimento realizado, gracias a la realimentacin sensorial y de
estado del robot (odometra, sensores de rango, eventos) y la
realimentacin visual generada (video real y video 2D). Entre los
paneles sobresale el de Video 2D, en donde se realiza una fusin de
informacin entre los datos entregados por los sensores de rango y
los entregados por los sensores propioceptivos del robot, con el
fin de generar un mmico que representa grficamente el
funcionamiento del robot y su interaccin con el entorno. Este mmico
es una herramienta grafica til que junto a la realimentacin visual
le permite al estudiante determinar el estado del robot y de sus
sensores as como las caractersticas del ambiente en el ste se
encuentra.
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Ingeniera
Laboratorio distribuido con acceso remoto para la enseanza de la
robtica
Figura 6. Interfaz remota para la teleoperacin del robot
mvil
Conclusiones
Se ha presentado un laboratorio distribuido remoto para la
enseanza de la robtica, en el cual a travs de la red de datos de
alta velocidad RENATA se permite: la programacin, supervisin y
visualizacin (real y mmico en 2D) de la plataforma mvil Pioneer 3DX
a los estudiantes de la Universidad del Valle y de la Universidad
del Quindo; y la programacin, super-visin y visualizacin del brazo
robtico industrial Mitsubishi RV-2AJ a los estudiantes de las
mismas universidades. Esta herramienta de aprendizaje en ingeniera
est siendo utilizada preliminarmente en
las asignaturas de: Robtica Mvil de la Universidad del Valle y
de la Universidad del Quindo.
A travs de esta herramienta de experimentacin se pretende un
aprendizaje interactivo de los conceptos de la robtica mvil y de
manipuladores; adems, esta herramienta est diseada e implementada
con el fin de que los estudiantes de ingeniera desarrollen sus
habilidades de trabajo en grupo, multidisciplinar y exploten sus
conocimientos especficos para el desa-rrollo de proyectos,
competencias que los ingenieros deben demostrar para insertarse
laboralmente en la sociedad actual.
El principal potencial del proyecto de investigacin que se
presenta en este artculo se orienta a ser una herramienta de
aprendizaje de la robtica, la cual est asociada a la reconstruccin
de los esquemas cognitivos actuando sobre las formas en que el
alumno se apropia del conocimiento, como por ejemplo el anlisis e
interpretacin de situaciones problemticas, la formulacin de
estrategias y mecanismos de seguimiento de las mismas, el
desarrollo de modelos para el trabajo colaborativo y cooperativo y
el desarrollo de proyectos de trabajo como herramienta que sustenta
la solucin de las situaciones problemticas. Finalmente, se espera
que el laboratorio distribuido de robtica mvil y de manipuladores,
no solo sea usado por la Universidad del Valle y la del Quindo,
sino, por muchos grupos de investigacin y Universidades del pas que
no poseen los suficientes recursos de software y hardware para
interactuar con robots reales.
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ELSEVIER.
Sobre los autores
Eduardo Caicedo BravoIngeniero Electricista de la Universidad
del Valle, Mster en Tecnologas de la Informacin y Doctor en
Informtica Industrial de la Universidad Politcnica de Madrid
(Espaa). Profesor titular de la Universidad del Valle, Cali
(Colombia) y Director del Grupo de Investigacin Percepcin y
Sistemas Inteligentes PSI, Ciudad Universitaria Melndez Edificio
354. Areas de inters: instrumentacin electrnica, educacin en
ingeniera, inteligencia artificial y
[email protected]
Eval Bladimir Bacca Cortes Profesor asistente de la Universidad
del Valle, Ingeniero Electrnico y Magster en Automtica de la
misma
Universidad. Actualmente es estudiante de Doctorado en la
Universidad de Girona, Espaa (beca LASPAU-COLCIENCIAS-Universidad
del Valle). Integrante del grupo de investigacin en Percepcin y
Sistemas Inteligentes PSI, Ciudad Universitaria Melndez Edificio
354, [email protected]. reas de intereses: robtica mvil,
Procesamiento de imgenes e inteligencia computacional.
Jaiber Evelio Cardona Magster en Ingeniera con nfasis en
Automtica, Programa de Posgrado en Ingeniera Elctrica y Electrnica
- PPIEE de la Universidad del Valle. Docente e investigador en del
Grupo de Automatizacin y Mquinas
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Ingeniera
Laboratorio distribuido con acceso remoto para la enseanza de la
robtica
de Aprendizaje GAMA de la Universidad del Quindo, Armenia
(Colombia). reas de inters: control inteligente, inteligencia
artificial y [email protected]
Jaime Alberto BuitragoEstudiante de maestra en Ingeniera con
nfasis en Electrnica, Programa de Posgrado en Ingeniera Elctrica y
Electrnica - PPIEE de la Universidad del Valle. Docente e
investigador en la lnea de investigacin de robtica del grupo de
Investigacin Sistemas de Informacin y Control Industrial SINFOCI de
la Universidad del Quindo, Carrera 15 Calle 12 Norte. reas de
inters: interfaces
remotas, robtica y arquitectura de
[email protected]
Bayron Andres CalvacheEstudiante de maestra en Ingeniera con
nfasis en Automtica, Programa de Posgrado en Ingeniera Elctrica y
Electrnica - PPIEE de la Universidad del Valle. Docente e
investigador en el grupo Percepcin y Sistemas InteligentesPSI de la
misma Universidad, ciudad Universitaria Melndez Edificio 354. reas
de inters: robtica mvil, laboratorios remotos, instrumentacin y
sistemas [email protected]
Los puntos de vista expresados en este artculo no reflejan
necesariamente la opinin de la Asociacin Colombiana de Facultades
de Ingeniera.