Sistema Robótico de Telepresencia

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7/23/2019 Sistema Robótico de Telepresencia http://slidepdf.com/reader/full/sistema-robotico-de-telepresencia 1/62 Sistema Rob´ otico de Telepresencia David Fernando Madera Rivas Juan Camilo Rodr´ ıguez Fl´orez Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al t´ ıtulo de Ingeniero Multimedia Asesor de Proyecto: PhD Jairo Alejandro G´omez Escobar Ingenier´ ıa Multimedia Facultad de Ingenier´ ıa Universidad de San Buenaventura Cali, Colombia Octubre 2015

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    Sistema Robotico de Telepresencia

    David Fernando Madera RivasJuan Camilo Rodrguez Florez

    Trabajo de grado presentado

    como requisito parcial para optar al ttulo de

    Ingeniero Multimedia

    Asesor de Proyecto: PhD Jairo Alejandro Gomez Escobar

    Ingeniera Multimedia

    Facultad de Ingeniera

    Universidad de San Buenaventura

    Cali, Colombia

    Octubre 2015

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    Declaracion

    Declaramos que este documento es de nuestra autora, y damos fe que no contienematerial que haya sido publicado o escrito por otra persona ni material que haya sidoutilizado para la obtencion de otro ttulo en la Universidad de San Buenaventura Cali nien otra institucion de educacion superior, excepto donde se indique de manera explcitaen el texto.

    David Fernando Madera Rivas Juan Camilo Rodrguez Florez

    05 de Octubre, 2015

    i

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    Resumen

    David Fernando Madera RivasJuan Camilo Rodrguez Florez Ingeniera MultimediaUniversidad de San Buenaventura Octubre 2015

    Sistema Robotico de Telepresencia

    Este trabajo de grado presenta el desarrollo de una plataforma robotica movil de tele-presencia que puede ser contralada a traves de un dispositivo movil por un usuario. Seinvestigan los protocolos que son utilizados para transmitir audio, video y comandos entiempo real, y tambien se describen los diferentes requirimientos mecanicos que necesi-ta la plataforma robotica movil. Al comparar las diferentes plataformas y observar losrequerimientos, se opta por utilizar el paquete Lego Mindstorms EV3 [1].

    En este tambien se describe el desarrollo de un prototipo que permite transmitir y re-producir audio y video de forma remota a traves de una red Wifi.

    Palabras clave: telepresencia, plataforma robotica, videoconferencia, protocolo, tele-operacion.

    ii

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    Agradecimientos

    Agradecemos el soporte de nuestras familias y amigos que estuvieron incondicional-mente en los momentos mas difciles de nuestra carrera. El apoyo del cuerpo docentedel programa Ingeniera Multimedia de la Universidad de San Buenaventura Cali, enespecial al PhD Jairo Alejandro Gomez Escobar, por su acompanamiento como asesordel proyecto y ser de ensenanza, como tambien al Ingeniero Andres Hurtado Bangueropor su ayuda en la ultima del proyecto.

    iii

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    David Fernando Madera Rivas dedica este proyecto a su to Jorge Luis Madera, quienfallecio en la espera de su graduacion. A Roberto Madera Parra y Evelyn Rivas

    Medina que siempre estuvieron presentes en todo el proceso del proyecto.

    Juan Camilo Rodrguez Florez dedica este proyecto a Dios por su amor, y a Hernan

    Rodrguez S anchez, Maritza Florez Vil larejo, Adela Vil larejo Ortz y Mario Florez

    Labrada, personas que han dado mas de lo posible para formarlo.

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    Indice general

    Declaracion i

    Resumen ii

    Agradecimientos iii

    Contenido vi

    Lista de Figuras vii

    Lista de Tablas viii

    1 Introduccion 1

    2 Objetivos 3

    2.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    2.2 Objetivos Especficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    3 Marco Teorico 5

    3.1 Telepresencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    3.1.1 Evolucion de la videoconferencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    3.2 Robotica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2.1 Aspectos de navegacion de un robot . . . . . . . . . . . . . . . 8

    3.2.2 Esquemas de navegacion en robots moviles . . . . . . . . . . . . 8

    3.3 Modelo de arquitectura de los protocolos TCP/IP . . . . . . . . . . . . 9

    3.4 Flujos inelasticos en redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    v

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    3.5 Tele-robotica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    3.6 Calidad del servicio (Quality of Service) . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    3.6.1 Problemas identificados en redes de datos: . . . . . . . . . . . . 123.7 Vnculo usuario - sistema robotico de telepresencia (SRT). . . . . . . . 17

    4 Antecedentes 18

    4.1 Telepresencia secular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    4.2 Telepresencia en la medicina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    4.3 Telepresencia en la educacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    4.4 Telepresencia en el entretenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    5 Desarrollo 30

    5.1 Construccion de la aplicacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    5.2 Seleccion de la plataforma robotica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    5.2.1 DIY tanque de juguete RC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    5.2.2 Tanque RC Caterpillar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    5.2.3 ALSRobotBase 4WD (Harbin Alseon Robotics Technology Co.) 36

    5.2.4 Rover 5 con Encoders. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    5.2.5 Lego Mindstorms Education . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    5.3 Sntesis de la plataforma roboticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    5.4 Estructura del sistema robotico de telepresencia . . . . . . . . . . . . . 40

    6 Pruebas de usabilidad 41

    7 Conclusiones 45

    7.1 Trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    Referencias 48

    8 Anexos 53

    8.1 Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    vi

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    Indice de figuras

    3.1 Robot y su interaccion con el entorno, basado en [15]. . . . . . . . . . . 7

    3.2 Modelo TCP/IP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    3.3 Flujo de datos del SRT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    4.1 Da Vinci Surgical system [38]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    4.2 Robots profesores manejados a distancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    4.3 Telepresecia en un museo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    5.1 Interfaz de inicio de la aplicacion del SRT. . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    5.2 Interfaz de videollamada de la aplicacion del SRT. . . . . . . . . . . . . 32

    5.3 Interfaz de control de la plataforma.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    5.4 Plataforma DIY tanque de juguete RC [51]. . . . . . . . . . . . . . . . 34

    5.5 Plataforma Tanque RC Caterpillar [52].. . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    5.6 Plataforma ALSRobotBase 4WD[53].. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    5.7 Plataforma Rover 5 con Encoders [54]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    5.8 Plataforma Lego Mindstorms Education[1]. . . . . . . . . . . . . . . . 38

    5.9 Estructura del sistema robotico de telepresencia . . . . . . . . . . . . . 40

    6.1 Resultados de la pregunta 1 del cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . 42

    6.2 Resultados de la pregunta 2 del cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . 42

    6.3 Resultados de la pregunta 3 del cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . 43

    6.4 Resultados de la pregunta 4 del cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . 43

    6.5 Resultados de la pregunta 5 del cuestionario. . . . . . . . . . . . . . . . 44

    vii

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    Indice de cuadros

    5.1 Comparacion de las Plataformas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    viii

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    Captulo 1

    Introduccion

    El uso de tecnologas de telepresencia en la medicina, la educacion, el ambito empresa-

    rial ha tomado fuerza en los ultimos anos como se muestra en [2], [3] y[4]. El presente

    proyecto busca disenar y desarrollar un Sistema Robotico de Telepresencia (SRT), es

    decir, un robot controlado por un usuario desde un lugar remoto a traves de internet,

    y que permite la transmision y recepcion de audio y video.

    Existen diversas condiciones o situaciones que pueden impedirle a una persona asistir a

    sus clases o a alguna labor que tenga que realizar, ademas de enfermedades y discapa-

    cidades. Por esta razon se han desarrollado herramientas, maquinas y equipos propios

    de telepresencia como el beam pro [5], el Ava 500 [6] y el QB Avatar [7]. En el

    campo de la telemedicina, el Biomedical PACS [8] y el sistema quirurgicoZeus [9]

    permiten emular la presencia del hombre para realizar un conjunto basico pero esencial

    de actividades a distancia [10].

    El uso de la telepresencia en el proyecto permite que una o varias personas puedan

    interactuar con un entorno diferente al que se encuentran, utilizando una interfaz que

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    Introduccion 2

    emplea una pantalla, un microfono y un parlante, con ellos se busca que el usuario vea

    las imagenes y escuche los sonidos en tiempo real, y que a su vez puedan ver y escuchar

    al usuario.

    Los sistemas de telepresencia permiten a las personas y a las empresas ahorrar costos

    por concepto de movilidad durante entrevistas, presentaciones y reuniones en general.

    Para el desarrollo de un robot de telepresencia o teleoperado se requiere de la articula-

    cion de diferentes areas del conocimiento como comunicaciones, vision por computador,

    electronica y en algunos casos la inteligencia artificial. El uso de este ultimo considera

    situaciones donde el robot toma decisiones de forma autonoma para evadir obstaculos

    o para recuperarse de situaciones donde el sistema pierda el equilibrio mec anico [11].

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    Captulo 2

    Objetivos

    2.1 Objetivo General

    Desarrollar una plataforma robotica movil de telepresencia que pueda ser controlada a

    traves de una red WiFi y bluetooth.

    2.2 Objetivos Especficos

    1. Analizar los protocolos de transmision de audio, video y comandos en tiempo real

    a traves de internet.

    2. Definir los requerimientos de una plataforma movil de telepresencia incluyendo

    los aspectos mecanicos y electronicos.

    3. Desarrollar un prototipo que permita transmitir, grabar y reproducir audio y

    video mediante una plataforma robotica movil controlada de forma remota por

    medio de comandos.

    4. Evaluar el prototipo a traves de pruebas de usabilidad y analizar los resultados.

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    2.2 Objetivos Especficos 4

    5. Escribir un artculo de divulgacion cientfica.

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    Captulo 3

    Marco Teorico

    El proyecto Sistema Robotico de Telepresencia se formula con el fin que el usuario

    interactue con el mundo real desde un sitio distinto al que se encuentra el robot. A con-

    tinuacion se definen algunos terminos claves para comprender los diferentes aspectos

    del proyecto.

    3.1 Telepresencia

    La telepresencia es el contacto en tiempo real con una o varias personas que no estan

    presentes, es decir, presencia remota por un medio que proporciona a la persona la

    sensacion de estar fsicamente en otro lugar a traves de una escena creada por un

    ordenador o un robot [12]. Esta tecnologa enlaza sensores o dispositivos en el mundo

    real con los sentidos de un usuario. Los sensores utilizados pueden instalarse en un robot

    o dentro de un entorno. La percepcion de la presencia dentro de un sitio remoto fsico

    o simulado, ha sido identificado como un diseno ideal para entornos sinteticos [13].

    Muchas personas se refieren a la telepresencia como una videoconferencia de gama

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    3.1 Telepresencia 6

    alta, o la videoconferecia de la siguiente generacion. Durante anos la industria de la

    videoconferencia ha prometido que iba a sustituir la necesidad de las reuniones cara a

    cara y disminuir los gastos de viaje, pero para la gran mayora de las empresas que la

    han implementado, en su mayor parte, la videoconferencia no ha podido cumplir con

    las promesas[14].

    3.1.1 Evolucion de la videoconferencia

    La compana estadounidense Cisco Systemsprecisa aspectos importantes en los que la

    telepresencia supera a la videoconferencia[14]:

    Factores de calidad y de entorno: Un sistema de telepresencia combina image-

    nes de video con gran nitidez y sonido digital para crear una experiencia unica de

    reunion en persona. Los usuarios perciben la ilusion de estar en la misma sala

    que la persona o el auditorio con el que estan interactuando con contacto visual

    y hablando con el resto de participantes de una forma similar a como lo haran si

    estuvieran cerca fsicamente.

    Sencillez:Debe estar disenado de tal modo que sea muy facil de configurar y de

    llamar. La facilidad se consigue al usar las herramientas e conos que se utilizan

    a diario, ya que la formacion que necesita el usuario es mnima; la metaforizacion

    hablando en terminos de usabilidad.

    Fiabilidad: Aprovecha una red de buena disponibilidad y la infraestructura IP

    para ofrecer a los usuarios calidad en el enlace de comunicacion.

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    3.2 Robotica 7

    3.2 Robotica

    El termino robot aparece en 1920, en la obra teatral Rossums Universal Robots,donde la palabra robota significa realizar trabajo o acciones de servidumbre [15].

    Figura 3.1: Robot y su interaccion con el entorno, basado en[15].

    V. H. Perez Cordero define la robotica [16] como el conjunto de conocimientos teoricos

    y practicos que permiten concebir, realizar y automatizar sistemas basados en estruc-

    turas mecanicas poliarticuladas, dotados de un determinado grado de inteligencia y

    destinados a la produccion industrial o al sustitucion del hombre en diversas tareas.

    Un sistema robotico es aquel que es capaz de recibir informaci on, de comprender su

    entorno a traves del empleo de modelos, de formular y de ejecutar planes, y de controlar

    o supervisar su operacion. La robotica es multidisciplinaria y sus bases se apoyan en

    ciencias como la electronica y la informatica, aunque ahora es notorio ver involucradas

    disciplinas como la inteligencia artificial.

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    3.2 Robotica 8

    3.2.1 Aspectos de navegacion de un robot

    La navegacion es la ciencia de desplazarse atravesando un entorno para alcanzar un

    destino sin chocar con ningun obstaculo. La navegacion conlleva a crear una serie de

    herramientas para la ejecucion de una trayectoria viable y segura. La trayectoria se crea

    a partir de un mapa previo del entorno con un mapa que se construye mientras se navega.

    Para ello, se deben tener en cuenta variables importantes como son la percepci on del

    entorno, fusion de sensores y el control de movimiento. La idea general en la planificacion

    de trayectorias consiste en desvincular los problemas de la cinematica y dinamica del

    robot, de la busqueda de una ruta libre de obstaculos [17].

    3.2.2 Esquemas de navegacion en robots moviles

    La navegacion para un robot movil consiste en recorrer un camino que lo conduzca desde

    una posicion inicial hasta una posicion la final. En[18], Baturone divide el problema

    de la navegacion en las siguientes etapas:

    Percepcion del mundo: Mediante el uso de sensores externos, creacion de un

    mapa o modelo donde se desarrollara la tarea de navegacion [19].

    Planificacion de la ruta:Crea una secuencia ordenada de objetivos o submetas

    que deben ser alcanzadas por el movil. Esta secuencia se calcula utilizando el

    mapa del entorno, la descripcion de la tarea que debe realizar y algun tipo de

    procedimiento estrategico.

    Generacion del camino: En primer lugar define una funcion continua que in-

    terpola la secuencia de objetivos construida por el planificador. Posteriormente

    procede a la discretizacion de la misma a fin de generar el camino.

    Seguimiento del camino:Efectua el desplazamiento del robot, segun el camino

    generado mediante el adecuado control de los actuadores [20].

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    3.3 Modelo de arquitectura de los protocolos TCP/IP 9

    3.3 Modelo de arquitectura de los protocolos TCP/IP

    El protocolo de control de transmision(en Ingles, Transmission Control Protocol) esuno de los protocolos fundamentales en Internet y como se ha vuelto tan comun en

    algunas ocasiones todo el conjunto es llamado TCP/IP. El TCP entrega un flujo de

    octetos entre los programas que se ejecutan en los computadores conectados a una red

    de area local, intranet o el internet publico[21]. Esta es la base de la red de redes global

    que conecta millones de equipos en el mundo [22].

    Segun Moreno en [23], el modelo de arquitectura de este protocolo es el resultado de

    la agrupacion de diversas capas del Modelo OSI en un una sola, con el proposito de

    resolver el problema de redes con tecnologas muy diferentes entre s. Cada protocolo

    se comunica con su igual en la capa equivalente de un sistema remoto, de la misma

    manera solo ha de ocuparse de la comunicacion con su gemelo, sin preocuparse de las

    capas superior o inferior. De esta forma queda un modelo en cuatro capas, tal y como

    se muestra en la figura3.2.

    Figura 3.2: Modelo TCP/IP.

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    3.4 Flujos inelasticos en redes 10

    3.4 Flujos inelasticos en redes

    Son aquellos que requieren una calidad de servicio fija e invariable. El tipo de aplica-ciones que necesitan este tipo de flujo se denominan real-time streaming applications.

    Estos flujos son muy sensibles al retardo y a las perdidas de los paquetes, por lo que

    requieren grandes cantidades de recursos y degradan el comportamiento de la red para

    otras conexiones. Este tipo de aplicaciones utiliza protocolos como el RTP (Real-time

    Transport Protocol) y el RSTP (Real Time Streaming Protocol) [24] para garantizar que

    los paquetes se lean en el cliente en los instantes adecuados y permitir cierta interacti-

    vidad, aunque salvo en redes locales no se suele garantizar la calidad del servicio [25][21].

    3.5 Tele-robotica

    Es una forma de teleoperacion aplicada a robots, donde se mantiene una intervencion

    significativa del operador humano solo para supervision o teleoperacion directa [16].

    Control supervisado (supervisory):El hombre dirige y monitoriza las activi-

    dades del sistema semiautonomo de control.

    Control compartido (shared): Consiste en la combinacion de autonoma y

    telecontrol para darle control a una funcion en especfico.

    Control intercambiado o negociado (traded):Es una seleccion de autonoma

    para darle control a una funcion en especfico.

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    3.6 Calidad del servicio (Quality of Service) 11

    3.6 Calidad del servicio (Quality of Service)

    Es la capacidad de brindar un buen servicio, que se determina por el grado de sa-tisfaccion de los usuarios, es el rendimiento promedio de una red de telefona o de

    computadoras.

    La calidad esta determinada por las caractersticas de aspectos relacionados con la red,

    el ancho de banda, el retraso en la transmisi on, la disponibilidad, la tasa de errores,

    entre otras.

    Satisfacer a los usuarios frente a estos aspectos es un requisito esencial y b asico para

    poder implementar servicios interactivos, mas aun conociendo que la introduccion cada

    vez mayor de aplicaciones en tiempo real, la multimedia y el incremento del tr afico,

    hacen necesario brindar garantas sobre la calidad del servicio.

    Esta calidad compromete de manera importante, aspectos relacionados con la conexion

    en toda su complejidad tales como tiempo de respuesta de los servicios, perdidas, ratio

    senal-a-ruido, diafonas, eco, interrupciones, frecuencia de respuesta, niveles de sonido;

    si es directamente del servicio de telefona se relaciona de manera especfica con la

    capacidad y cobertura de una red, la probabilidad de bloqueo o de interrupci on.

    Las redes de telecomunicacion en paquetes, se refiere a los mecanismos de control para

    la reserva de recursos, teniendo en cuenta que si crece el nivel de tr afico se produce

    congestion y se ralentiza la entrega con la dificultad mayor, que si el problema es

    severo, se llegan a descartar paquetes para aliviar la congestion, aun as los usuarios

    son relativamente tolerantes a las perdidas, mas no as a los retardos.

    La calidad del servicio o QoS, son las diversas tecnologas que se deben desarrollar

    para asegurar un nivel de servicio adecuado para la transmision de datos, basados en

    estandares de funcionalidad, es la capacidad de administrar el trafico de red de ma-

    nera rentable y mejorar las experiencias de usuario en entornos empresariales, oficinas

    pequenas y con alcance a entornos de red domesticos.

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    3.6 Calidad del servicio (Quality of Service) 12

    Las ventajas principales de una red compatible con QoS, estan relacionadas con la

    capacidad de priorizar el trafico, es decir, que los flujos mas importantes, sean utilizados

    antes que los de menor prioridad y que haya mayor confiabilidad en la red, gracias al

    control de la cantidad de ancho de banda que puede utilizar cada aplicacion.

    3.6.1 Problemas identificados en redes de datos:

    Bajo Rendimiento: Es la consecuencia de la carga variante de varios usuarios

    compartiendo los mismos recursos de red, la tasa de bits (el maximo rendimiento)

    que puede ser provista para una cierta transmision de datos puede ser muy lentapara servicios en tiempo real, especficamente si toda la transmision de datos

    obtiene el mismo nivel de prioridad.

    Paquetes sueltos: Los ruteadores pueden fallar en liberar algunos paquetes si

    ellos llegan cuando los buffers ya estan llenos, algunos, ninguno o todos los pa-

    quetes pueden quedar sueltos dependiendo del estado de la red y es imposible

    determinar que pasara de antemano. La aplicacion del receptor puede preguntar

    por la informacion que sera retransmitida posiblemente causando largos retardos

    a lo largo de la transmision.

    Retardos: Puede ocurrir que los paquetes tomen un largo periodo en alcanzar

    su destino, debido a que pueden permanecer en largas colas o tomen una ruta

    menos directa para prevenir la congestion de la red. En algunos casos, los retardos

    excesivos pueden inutilizar aplicaciones tales como VoIP o juegos en lnea.

    Latencia:Puede tomar bastante tiempo para que cada paquete llegue a su des-

    tino, porque puede quedar atascado en largas colas, o tomar una ruta menos di-

    recta para evitar la congestion. Esto es diferente de rendimiento, ya que el retraso

    puede mejorar con el tiempo, incluso si el rendimiento es casi normal. En algunos

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    3.6 Calidad del servicio (Quality of Service) 13

    casos, latencia excesiva puede convertir a una aplicacion como VoIP juegos online

    inusable.

    Jitter: Los paquetes del transmisor pueden llegar a su destino con diferentes

    retardos. Un retardo de un paquete vara impredeciblemente con su posicion en

    las colas de los ruteadores a lo largo del camino entre el transmisor y el destino.

    Esta variacion en retardo se conoce como jitter y puede afectar seriamente la

    calidad del flujo de audio y video.

    Entrega fuera de orden: Cuando un conjunto de paquetes relacionados entre

    s son encaminados a internet, los paquetes pueden tomar diferentes rutas, resul-tando en diferentes retardos. Esto ocasiona que los paquetes lleguen en diferente

    orden de como fueron enviados.

    Errores:A veces, los paquetes son mal dirigidos, combinados entre s o corrom-

    pidos cuando se encaminan. El receptor tiene que detectarlos y justo cuando el

    paquete es liberado, pregunta al transmisor para repetirlo as mismo.

    Las caractersticas de QoS son la administracion del ancho de banda, detectar y clasificarlos cambios de las condiciones de la red, control del flujo basado en prioridades y

    administrar el trafico tanto en redes fsicas (basada en directiva), como en redes virtuales

    (Hyper-V), que se describen a continuacion:

    Administracion ancho de banda: Ancho de banda mnimo proporciona un

    nivel de servicio especfico para una carga de trabajo cuando se produce una

    congestion de red mientras se sigue permitiendo una mayor utilizacion del ancho

    de banda por parte de esta carga de trabajo en circunstancias en las que no hay

    ninguna congestion de la red.

    Se produce congestion de la red en los sistemas informaticos cuando varias cargas

    de trabajo compiten para tener acceso a una red externa a traves de un adaptador

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    23/62

    3.6 Calidad del servicio (Quality of Service) 14

    de red. Dado que la capacidad de cualquier adaptador de red es limitada, cuando

    la suma de las cargas de trabajo supera esa capacidad, el rendimiento de la red de

    cada carga de trabajo pasa a ser no determinante. Con Ancho de banda mnimo,

    puede definir como comparten el ancho de banda las aplicaciones competidoras.

    Ancho de banda mnimo y Ancho de banda maximo permiten exigir el rendimiento

    de red predecible para cada carga de trabajo. La diferencia principal entre ellas,

    desde el punto de vista de un administrador, es como usan los recursos de red.

    Clasificacion y etiquetado: Antes de que se administre el ancho de banda de

    una carga de trabajo, la carga de trabajo debe clasificarse o filtrarse para que el

    programador de paquetes QoS pueda actuar sobre ella.

    Windows dispone de una sofisticada capacidad de clasificacion del tr

    afico. La clasificacion puede basarse en cinco tuplas, el tipo de usuario o el URI.

    Control del flujo basado en prioridades: Las cargas de trabajo, como RD-

    MA, requieren transporte sin perdida de datos. Si se crea RDMA sobre Ethernet

    directamente, lo que se conoce como RDMA sobre Ethernet convergente (ROCE),

    el transporte de ethernet debe efectuarse sin perdida de datos. Tradicionalmente,el control de flujo de nivel de vnculo, que se basa en el marco de pausa 802.3, es

    una solucion. Pero el control de flujo de nivel de vnculo provoca problemas como

    el bloqueo del encabezado de la lnea.

    Este problema se resuelve mediante el control de flujo basado en prioridades

    (PFC), que es un estandar definido por el grupo de trabajo DCB del Instituto

    de ingenieros de electricidad y electronica (IEEE). Windows Server 2012 permite

    habilitar PFC siempre que sea compatible con una NIC. Cuando PFC esta ha-bilitado para ROCE en ambos extremos de un vnculo Ethernet, solo el vnculo

    virtual designado para ROCE, que se indica mediante un valor de prioridad, pasa

    a no presentar perdida de datos, y las demas cargas de trabajo del mismo vnculo

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    24/62

    3.6 Calidad del servicio (Quality of Service) 15

    fsico no sufren de bloqueo de encabezado de lnea.

    QoS basada en Directiva: Puede usar QoS basada en directiva para adminis-

    trar el trafico en las redes fsicas. QoS basada en directiva permite especificar el

    control del ancho de banda de red en funcion del tipo de aplicacion, los usuarios y

    los equipos. QoS basada en directiva se puede usar para administrar el trafico a fin

    de ayudar a controlar los costos de ancho de banda, negociar los niveles de servicio

    con los proveedores de ancho de banda o los departamentos comerciales y para

    ofrecer una mejor experiencia del usuario final. Debido a que QoS basada en di-

    rectiva esta integrada en la directiva de grupo, forma parte de la infraestructura

    de administracion actual y, en consecuencia, es una solucion cuya implementa-

    cion resulta rentable. QoS basada en directiva proporciona la capacidad para lo

    siguiente:

    Aplicar un ancho de banda mnimo para un flujo de trAfico, que se identifica

    mediante un filtro de trafico de cinco tuplas.

    Configure y consulte o vea directivas de QoS, que aplican un ancho de banda

    mnimo y maximo, y marcado de punto de codigo de servicios diferenciados

    (DSCP) o 802.1p en los paquetes filtrados, a traves de WMI y PowerShell.

    Use editores de Directiva de grupo para configurar una directiva de calidad

    de servicio ampliada (eQoS) a fin de etiquetar paquetes con un valor de

    802.1p.

    Configure directivas de QoS locales en los equipos que no estan unidos a un

    dominio.

    QoS basada en Hyper-V: Puede usar QoS de Hyper-V para administrar el

    trafico en la red virtual. En entornos hospedados, QoS de Hyper-V permite ga-

    rantizar niveles de rendimiento especficos segAon los contratos de nivel de servicio

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    25/62

    3.6 Calidad del servicio (Quality of Service) 16

    (SLA) que ha acordado con sus clientes. QoS de Hyper-V ayuda a garantizar que

    los clientes no se vean afectados ni comprometidos por otros clientes que se en-

    cuentran en la infraestructura compartida, que puede incluir recursos de equipos,

    almacenamiento y redes. Ademas, las redes empresariales pueden requerir una

    funcionalidad similar. Mediante el uso de QoS de Hyper-V en su empresa, puede

    ejecutar varios servidores de aplicaciones basados en maquina virtual en un servi-

    dor host que ejecute Hyper-V y estar seguro de que cada servidor de aplicaciones

    ofrezca un rendimiento predecible. QoS de Hyper-V proporciona la capacidad para

    lo siguiente:

    Exija un ancho de banda mnimo y maximo para un flujo de trafico, identi-

    ficado con un numero de puerto de conmutador virtual de Hyper-V.

    Configure el ancho de banda mnimo y maximo de cada puerto de con-

    mutador virtual de Hyper-V con cmdlets de PowerShell o Instrumental de

    administracion de Windows (WMI).

    Configure varios adaptadores de red virtuales en Hyper-V y especifique la

    QoS en cada adaptador de red virtual individualmente.

    QoS de Hyper-V en Windows Server 2012 tambien puede usar hardware compa-

    tible con el protocolo de puente del centro de datos (DCB) para converger varios

    tipos de trafico de red en un solo adaptador de red con un nivel de servicio garan-

    tizado para cada tipo de trafico. Con Windows PowerShell, es posible configurar

    estas caractersticas nuevas de forma manual o habilitar la automatizacion en un

    script para administrar un grupo de servidores, independientemente de si dichos

    servidores estan unidos a un dominio.

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    26/62

    3.7 Vnculo usuario - sistema robotico de telepresencia (SRT) 17

    3.7 Vnculo usuario - sistema robotico de tele-

    presencia (SRT)

    El usuario debe iniciar la aplicacion del SRT en su dispositivo movil, a traves

    de una interfaz amigable y de facil acceso para que los comandos de movimiento

    puedan ser operados de forma clara. Los datos que adquiere el dispositivo movil

    (tanto de movimiento del robot como de transmision de audio y video) se envan

    a traves de la red Wifi al SRT. Los comandos de movimiento son decodificados e

    interpretados por un sistema electronico y de operacion ubicado en la base, que es

    elLego Mindstorms EV3, mientras que la transmision de audio y video sera recibi-

    da y entregada por la aplicacion del dispositivo movil ubicado en la parte superior.

    Figura 3.3: Flujo de datos del SRT.

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

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    Captulo 4

    Antecedentes

    La autonoma de un robot movil se fundamenta en el sistema de navegacion au-

    tomatica, en el cual se incluyen tareas de planificacion, percepcion y control[15].

    En anteriores proyectos se han realizado plataformas roboticas moviles de telepre-

    sencia que son operadas por un usuario a traves de internet y salas de telepresencia

    en las que se puede denotar como una evolucion corta de la videoconferencia, tales

    comoCisco RTelePresence [26].

    En[27], la compana Cisco expresa: Cisco RTelePresence es una tecnologa nue-

    va que crea experiencias unicas, en persona entre individuos, lugares y eventos en

    sus vidas personales y profesionales. Combina elementos innovadores de audio,

    video e interactividad (tanto de hardware como de software) para conseguir esta

    experiencia a traves de la red.

    Teleoperacion

    Se entiende como la extension de las capacidades sensoriales y de la destreza hu-

    mana a una localizacion remota. Tambien se ultiliza el termino de teleactuacion

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    28/62

    Antecedentes 19

    para referirse a los aspectos especficos de generacion de ordenes a los actuadores

    y el termino telesensorizacion para la capacitacion y visualizacion de informa-

    cion sensorial [16].

    Existen varias companas que comercializan sistemas roboticos de telepresencia

    de forma empresarial y medica, tales como:

    Beam Pro [5]: Creado por la compana estadounidense Suitable Techno-

    logies que lo describe como un sistema con una interfaz y caractersticas

    intuitivas, que empujan los lmites de presencia inteligente. Caractersticastales como compartir la pantalla permiten la colaboracion instantanea y na-

    tural de miles de kilometros de distancia. Aunque no es una propuesta de

    valor, ya que los demas sistemas tambien presentan esta como caracterstica

    basica.

    Por ejemplo, la plataforma Double es un sistema de teleconferencia movil que

    facilita el desarrollo de conversaciones en cualquier lugar y en cualquier momento.

    Para navegar, elDoubleusa un giroscopio y un acelerometro. La plataforma que

    utiliza es similar al Segway con la diferencia que cuando el usuario esta satisfecho

    con la posicion en la que desea ubicarlo, solamente baja un pie y lo mantiene de

    manera estable para que pueda permanecer en un solo lugar. ElDouble tiene la

    posibilidad de ajustar la altura de la camara para que esta coincida con los ojos

    de la persona con la que esta interactuando el usuario de manera remota.

    El primer hito en el desarrollo de la telepresencia, se da con la propuesta de la

    videotelefona, presentada en la Feria Mundial de Nueva York en 1963, en donde

    se pudo asistir a la primera demostracion del servicio de teleimagen de AT&T[28].

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    29/62

    4.1 Telepresencia secular 20

    El termino Telepresencia se acuno por primera vez en 1980 por el cientfico

    Marvin Minsky en Estados Unidos, quien lo elaboro teniendo en mente una vi-

    sion avanzada del concepto de teleoperacion en un futuro, con el fin de dar la

    sensacion de estar presente en un lugar diferente [29].

    Uno de los campos mas atractivos para la telepresencia es el de los negocios. En

    1993,Teleport, se enfoca en brindar a los empresarios la posibilidad de asistir o

    estar en reuniones y tomar decisiones importantes[30].

    En los siguientes anos, empresas como Telesuite, Destinity Conferencing, Cisco,

    Polycom, entre otras, lograron avances importantes en el area de la telepresencia,

    desarrollando as mismo prototipos significativos correspondientes al tema [31].

    Las diferentes empresas, viendo la exigencia en cuanto a avances tecnologicos se

    refiere, han hecho grandes inversiones[31], permitiendo as que temas como el de

    la telepresencia se hagan mas fuertes da a da.

    En anteriores proyectos, tal y como lo menciona[32], se han realizado plataformas

    roboticas moviles de telepresencia que son operadas por un usuario a traves de

    internet y salas de telepresencia.

    4.1 Telepresencia secular

    Cisco Telepresence hizo parte de este cambio tecnologico de la historia. En[14],

    la compana Cisco expresa: Cisco TelePresence es una tecnologa nueva que crea

    experiencias unicas en persona entre individuos, lugares y eventos en sus vidas

    personales y profesionales. Combina elementos innovadores de audio, video e in-

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

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    4.1 Telepresencia secular 21

    teractividad (tanto de hardware como de software) para conseguir esta experiencia

    a traves de la red.

    Otro proyecto que tambien ha sido significativo, es la plataformaDouble [33].

    Un sistema de teleconferencia movil que facilita el desarrollo de conversaciones en

    cualquier lugar y en cualquier momento. Para navegar, el Double [33] usa un

    giroscopio y un acelerometro. La plataforma que utiliza es similar al Segway con

    la diferencia que cuando el usuario esta satisfecho con la posicion en la que desea

    ubicarlo, solamente baja un pie y lo mantiene de manera estable para que pueda

    permanecer en un solo lugar. El Double [33]tiene la posibilidad de ajustar la

    altura de la camara para que esta coincida con los ojos de la persona con la que

    esta interactuando el usuario de manera remota. Tambien posee una camara a

    abajo del ipad que mira directo al suelo para poder facilitar el manejo de la pla-

    taforma en lugar estrechos o poco maniobrables.

    Una de las partes mas interesantes e innovadoras de esta plataforma es el uso de

    una batera de Lithium-Ion que tiene una duracion aproximada de 8 a 10 horas

    dependiendo de su uso, como tambien la base donde se carga el Double en el

    cual, con tan solo 2 horas, se recarga completamente la batera.

    La forma con que se diseno la base donde se recarga el Double [33], hace que

    acoplar la plataforma a la base de carga sea de una manera sencilla para la per-

    sona que lo esta utilizando.

    Hace ya algun tiempo, una empresa francesa de robotica desarrollo un robot de

    telepresencia al que se le llamo E-One. Este sistema se usara como un medio para

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    31/62

    4.2 Telepresencia en la medicina 22

    hacer vigilancia de la casa de una forma no comun[34]. Se trata de una gigantezca

    webcam con ruedas que permite al usuario mover a su gusto el robot o la c amara

    en cualquier lugar de la casa para lograr ver lo que ve el robot. Tiene un monitor

    como si se tratara de una cabeza, y la idea es que se proyecte la imagen de un

    humano que esta del otro lado, como si se tratara de una videoconferencia. Puede

    operar aproximadamente de 4 horas, segun la carga de su batera.

    Romo [35], es un robot de telepresencia que puede controlarse desde cualquier

    ordenador o dispositivo con el sistema operativo IOS, mediante invitaciones por

    correo.

    Se trata de un robot que va mas alla de videoconferencias. Tiene la capacidad

    de jugar con ninos, supervisarlos e incluso darle las ordenes que el usuario desee

    dejarles. Lo unico que se debe hacer para usarlo es descargar la aplicacion y tomar

    las fotos o explorar el lugar donde se desee mediante la c amara que el posee. Tiene

    algoritmos que le permiten adaptarse a su entorno y ademas es capaz de aprender

    nuevas reacciones o aparentes sentimientos que se le ensenen. La telepresencia

    tambien ha llegado hasta las familias con el fin de que se mantengan en un vnculo

    mucho mas unido.

    4.2 Telepresencia en la medicina

    Ahora bien, la telepresencia ha tenido interesantes aplicaciones, pero una de las

    mas importantes ha sido la de la medicina. Para el ano 1992, el ingeniero Philip-

    pe Green desarrolla el concepto de ciruga de telepresencia, brindando as una

    gran ayuda a quienes se dedicaban a trabajar en la medicina [36]. Cabe aclarar

    que Philippe perteneca al Stanford Research Institute y gracias al apoyo de esta

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    32/62

    4.2 Telepresencia en la medicina 23

    institucion y ademas de la NASA y el departamento de defensa de los Estados

    Unidos fue que logro el desarrollo de este proyecto [9].

    En el ano 1998, se lanzo al mercado un robot con la tecnologa de telepresencia

    denominado Zeus [37]. Fue con este que se introdujo el termino de telepresen-

    cia en la ciruga robotica [36]. Esta compuesto de tres brazos roboticos que se

    situan en la mesa de operaciones y la consola del cirujano que esta en cualquier

    lugar de la sala. Dos de los tres brazos son controles manuales, mientras que el

    tercer brazo que es el que sostiene la camara, es comandado a traves de la voz del

    cirujano. La consola del cirujano puede manejar el temblor del mismo, pero por

    medio de algoritmos de filtrado, escala los movimientos del cirujano en un rango

    menor. El principal problema de este prototipo es que era demasiado grande, que

    no era practico y limitaba el espacio en las salas de ciruga. Actualmente,Zeus

    va en decadencia puesto que el apoyo que se le brindaba en ventas, ha disminuido

    considerablemente [36].

    Figura 4.1: Da Vinci Surgical system [38].

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    33/62

    4.2 Telepresencia en la medicina 24

    As comoZeus, el sistema quirurgicoDa Vinci significo mucho para los ciru-

    janos. Este era uno de los mas completos y desarrollados robots de telepresencia

    en uso de la medicina. Se compona de un carro de visualizacion, la consola del

    cirujano y los brazos roboticos. Este sistema, permita que el cirujano controlara

    directamente y en tiempo real, los movimientos de los instrumentos, ademas de

    que la maquina reduca los temblores naturales de las manos del cirujano. De

    nuevo, el gran problema resultaba siendo el espacio que la maquina ocupaba en

    las salas de ciruga, puesto que reduca considerablemente el espacio de aquellos

    lugares; sin contar que el sistema estaba compuesto por innumerables cables y

    conexiones en la sala, lo cual no dejaba de significar algo peligroso en una sala de

    tanta importancia[36] [9].

    RP-VITA [39] es una de las mejores plataformas creadas por InTouchHealth y

    iRobot. Esta plataforma fue disenada exclusivamente para la telemedicina, y su

    proposito fundamental es aumentar la eficacia en el flujo de trabajo, como tam-

    bien ampliar el uso en consultas en los pasillos de los hospitales.

    RP-VITA [39] es un robot de telepresencia que le permite a uno o varios medi-

    cos interactuar de manera remota con los pacientes del hospital, ya sea para un

    simple chequeo medico o como tambien para operaciones en estado crticos. Como

    cualquier otra plataforma mencionada con anterioridad, los medicos en cualquier

    sitio que se encuentren tienen la autonoma de dirigir al robot a cualquier sitio

    dentro del hospital.

    Una de las partes mas innovadoras delRP-VITA [39] y por el cual fue disenado

    es un sistema de deteccion de obstaculos que tiene incorporado, el cual evita es-

    trellarse contra objetos y personas a traves de su uso de laser, sonares, y sensores,

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    34/62

    4.3 Telepresencia en la educacion 25

    como tambien el RP-VITA [39] cuenta con un diseno para poder acceder a ul-

    trasonidos y estetoscopios electronicos, y anadir a la plataforma los datos vitales

    del paciente y los resultados de los laboratorios.

    Un gran ejemplo del uso de las plataformas roboticas RP-VITA [39], es que

    el medico hace uso de una tablet para poder manejar y dirigir al robot hacia la

    habitacion donde se encuentra el paciente mientras que el estudia los registros

    clnicos de la persona.

    4.3 Telepresencia en la educacion

    Lo que probablemente no se penso, era que la telepresencia tambien significara un

    gran avance para la educacion. En[40] se asegura que la ensenanza esta intrnse-

    camente relacionada a la praxis, y esto definira hasta cierto punto la comprension

    del sujeto en el aprendizaje, pero para sostener una clarificaci on de los errores o

    exitos de este, se necesita una retroalimentacion. Es ah donde la telepresencia

    representa para la educacion un punto clave, puesto que llega a cubrir ciertos

    vacos que podran verse resueltos por medio de esta tecnologa.

    La tecnologa en algunas ocasiones es solo defendida en cuanto a la educacion para

    aumentar la eficiencia, pero tambien se debe tener en cuenta que la calidad de

    la educacion puede verse aumentada gracias a la tecnologa[41]. Segun estudios

    realizados anteriomente con ninos estudiantes de basica primaria [42], la telepre-

    sencia aumenta la motivacion de los ninos y su actitud hacia el aprendizaje, pero

    se debe aclarar que esto no significa que los ninos respondan con sus responsabi-

    lidades estudiantiles.

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    4.4 Telepresencia en el entretenimiento 26

    Figura 4.2: Robots profesores manejados a distancia.

    La conclusion de [3], es que aunque pueda parecer un avance en la educacion, esto

    puede significar distraccion en algunas ocasiones para los estudiantes en lugar de

    beneficiarlos, exceptuando las tareas donde haba necesidad de mucha informacion

    visual y contenido realista. A grandes rasgos, la telepresencia parece facilitar la

    vida de muchas personas[14], aunque hay algunas personas en ciertas ocasiones

    pueden parecer mostrar crticas.

    4.4 Telepresencia en el entretenimiento

    A nivel experimental, algunos museos se han dado a la tarea de permitir a empre-

    sas que desarrollen prototipos roboticos para que remplacen el papel de guas al

    interior de los museos. Algunos ejemplos que se pueden mencionar son elMuseum

    fur Kommunikationen Berln, Alemania; elTechnoramaen Winterthur, Suiza; el

    museo City of Kidsen Genoa, Italia, entre otros [43].

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    4.4 Telepresencia en el entretenimiento 27

    Figura 4.3: Telepresecia en un museo.

    En el mencionadoMuseum fur Kommunikationse desarrollaron 3 robots moviles

    los cuales tienen sus propias particularidades cada uno. Uno de ellos se encarga

    de animar al publico y presentar los saludos; el segundo, es el instructor que se

    encarga de guiar al personal por el museo senalando detalles con el movimien-

    to de su cabeza; y el tercero, es como el nino robot, puesto que todo el tiempoesta jugando con una pelota por todo el museo. Es importante recalcar que los

    desarrolladores se han puesto en la tarea de eliminar los peligros a los visitantes

    [44]. En cuanto a su desarrollo, los escritores revelan algunos detalles, como que

    cada vehculo esta equipado con dos ruedas motrices, que son capaces de mo-

    verse a una velocidad de 1.2 m/s, cuatro ruedas giratorias son las encargadas de

    mantener al robot erguido, un giroscopio en cada robot se encarga de rastrear la

    orientacion de cada uno ademas de la deteccion de obstaculos [44].

    Un robot que apela a la misma funcionalidad es Minerva [45], desarrollado en

    el ano 1999 en el Museo Nacional de Historia Estadounidense. En cuanto a su

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    4.4 Telepresencia en el entretenimiento 28

    hardware, este robot se caracteriza por sus sensores, camaras, motores, pantalla

    sensible al tacto, entre otras. En cuanto a su software, a pesar de que fue realizado

    ya hace casi 20 anos, tiene una gran capacidad. El robot usaba mapas previamen-

    te aprendidos para poder navegar internamente en el museo y usa la tecnica de

    odometra (estimacion de posicion). Usualmente, segun los desarrolladores [45],

    las personas suelen obstruir los sensores del robot, ya sea con las piernas, o las

    camaras de la parte superior que siguen un mapeo en el techo mismo del museo.

    Es por esto que se buscan soluciones alternativas. Por lo general, para la autoloca-

    lizacion de robots, se usa un metodo conocido como el metodo de autolocalizacion

    de Markovel cual toma informacion de los sensores y de odometra para realizar

    sus calculos. En este robot, se empleo una version modificada del metodo [45].

    En[43], se hace la presentacion de un robot de telepresencia llamado Tourbot,

    el cual tiene la misma funcion de ser un robot gua. Los usuarios pueden sostener

    una interaccion remota con el robot y este les dara informacion correspondiente

    al museo. Los objetivos con los que se inicio el proyecto, iban desde que el robot

    tuviera la capacidad de moverse de forma autonoma por cualquier instalacion del

    museo, facilitar la observacion a traves de una pagina web para el usuario, en

    donde lo que se vera del museo, sera informacion visual aportada por el mismo

    robot y por ultimo, permitirle a los usuarios informacion correspondiente a cual-

    quier particularidad del museo. Cada usuario puede teleoperar al robot y dirigirlo

    al lugar que sea de su interes en el museo o en su defecto, elegir recorridos que el

    robot posee entre sus funciones [43].

    Ahora bien, entre las diferentes capacidades que tiene el robot a nivel de software

    y hardware, se encuentran el sistema de navegacion con la localizacion, la plani-

    ficacion de rutas, y la deteccion de colisiones sumadole que las evita y continua

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

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    4.4 Telepresencia en el entretenimiento 29

    su recorrido [43].

    Otro robot de telepresencia que se situa bajo esta misma lnea de pensamiento

    y funcionalidad en museos es Rhino. Usa cuatro sistemas de sensores diferentes

    con el fin de lograr solucionar el problema de algunos obstaculos como algunas

    exposiciones que estaban en vitrinas, los cuales se hacen casi invisibles a sensores

    basados en la luz, camaras laser o infrarrojos[46]. A pesar de esto, las personas

    que asistan a las exhibiciones significaban un problema para el robot en algunos

    casos, ya que al obstaculizar sus sensores, el robot elega algunas rutas que repre-

    sentaban peligros para el mismo (escaleras). Los desarrolladores, se dieron a la

    tarea de hacer una encuesta con respecto a la funcionalidad del robot y encontra-

    ron ciertos detalles que valen la pena destacar. Los seres humanos naturalmente

    se sienten bien cuando hay alguien que interactue con ellos, y en este caso, ese

    valor agregado en el robot tiene un valor mucho mas representativo que la misma

    capacidad que tiene de realizar movimientos y de navegacion.

    Luego de ver esta funcionalidad que se le ha dado a la telepresencia emple andola

    en los museos, se puede hacer un analisis y preguntar realmente por que se debera

    tener en cuenta esta idea, a lo que podra responderse con que las generaciones

    han cambiado y la tecnologa ha avanzado a pasos grandes [43]. Lo que buscan

    los museos es alcanzar una visita mas grande y definitivamente esta tecnologa es

    una herramienta a favor de estos lugares para todo el publico. De hecho, algunos

    escritores han dado porcentajes alentadores, mostrando que en algunos casos, la

    asistencia al museo donde se pudo haber usado robots con telepresencia crecio mas

    de un 50% [46], lo que es un valor comprometedor.

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    Captulo 5

    Desarrollo

    5.1 Construccion de la aplicacion

    Se realiza la programacion de la aplicacion movil en lenguaje XML y Java, por

    la familiaridad en el entorno multimedial. Se parte del hecho que se debe utilizar

    un servidor RTSP para el envo del audio y video capturado por la sistema, y se

    realiza la investigacion sobre la constante HTTTPurl que es la encargada de

    hospedar la direccion IP donde esta temporalmente nuestros datos multimedia. El

    procedimiento de captura de imagen se ejecuta con la funcion CAMERA [47]

    del SDK de Android y a su vez la funcion RECORDED [48] para la captura

    del audio, estos datos multimedia son enviados a una repositorio en la tarjeta SD

    del dispositvo movil de forma temporal, para que un usuario pueda reproducirlos

    desde su ordenador a traves de un portal web. El almacenamiento temporal de los

    datos multimedia no se realiza, ya que para ello es necesario poseer un servidor

    RTSP; ademas de que despues de una investigacion mas a fondo sobre este metodo,

    es posible que la transmision sea tarda, por tal motivo se empieza a investigar

    otro tipo ruta programable para lograr el resultado deseado.

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

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    5.1 Construccion de la aplicacion 31

    Despues de investigar, se reconoce la conexion Wifi como la manera mas efectiva

    de transmision de datos multimedia, por encima de la conexion bluetooth, ya que

    la conexion Wifi tiene hasta 15 metros de alcance de senal optima en comparacion

    de la conexion bluetooth que solo tiene hasta 10 metros de alcance de senal opti-

    ma; igualmente se reconfirma esta decision al escoger la plataforma robtica Lego

    Mindstorms Education que se conecta con el sistema operativo android a traves

    de conexion bluetooth, impidiendo el envo de datos a otro dispositivo. Es utili-

    zada la clase WifiManager[49] propia de Android para acceder a los permisos de

    este sistema operativo y poder transmitir a traves de la red local. Dos usuarios de

    sesion son instanciados, uno como emisor y otro como receptor, el usuario siendo

    el emisor y el SRT el receptor. Cada uno de estos debe crear la sesion y realizar

    la conexion presionando el boton como lo dice la interfaz respectivamente. En ese

    momento es necesario ejecutar la transmision de datos, autorizando en el SRT la

    llegada de estos presionando el boton verde para recibirlos.

    Figura 5.1: Interfaz de inicio de la aplicacion del SRT.

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    41/62

    5.1 Construccion de la aplicacion 32

    Para el cumplimiento de las acciones ordenadas se importan las librera de sopor-

    te android-support-v4 y las libreras de Quickblox [50] quickblox-android-sdk-

    chat-2.2.6, quickblox-android-sdk-core-2.2.6y quickblox-android-sdk-videochat-

    webrtc-2.2.6, que son las encargadas del envo de los datos multimedia sin nece-

    sidad de un servidor propio.

    Figura 5.2: Interfaz de videollamada de la aplicacion del SRT.

    Teniendo lista la comunicacion entre dispositivos moviles a traves de una red WiFi,

    se realiza la implementacion de la conexion entre el dispostivo movil del usuario

    y la plataforma robotica a traves de Bluetooth, ya que esta tiene un software

    de reconocimiento de comandos muy amigable con Bluetooth. Graficamente se

    vectorizan unas flechas, metaforizando la direccion de la plataforma (adelante,atras, izquierda y derecha) y se crea un slider para que el usuario pueda manejar

    la sensibilidad en cuanto a potencia de esta.

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    5.2 Seleccion de la plataforma robotica 33

    Figura 5.3: Interfaz de control de la plataforma.

    5.2 Seleccion de la plataforma robotica

    Una parte esencial en el momento de construir, adquirir o elegir una plataforma

    robotica es el chequeo de los requerimientos necesarios de funcionamiento como

    el tamano, la movilidad, la resistencia y su estructura mecanica.

    La ventaja de obtener una plataforma robotica movil ya establecida en el mer-

    cado, es la garanta de su correcto funcionamiento. A continuacion se presentan

    cinco plataformas que se consideraron con sus respectivas caractersticas.

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    5.2 Seleccion de la plataforma robotica 34

    5.2.1 DIY tanque de juguete RC

    La plataforma robotica DIY tanque de juguete RC tiene un tamano de 280x250

    mm2 y tiene una altura de 60mm, utiliza un marco de metal que lo hace ver con

    una estructura solida y robusta, y con un peso alrededor de 2 Kg. Utiliza dos

    motores de corriente continua de alta potencia que le brinda buen torque. Tiene

    un precio aproximado de 232.631 COP [51].

    Figura 5.4: Plataforma DIY tanque de juguete RC[51].

    Las caractersticas mas relevantes son:

    Estructura en metal.

    Estructura solida.

    Motor con la utilizacion de 12 V para 50 rpm o 24 V para 100 rpm.

    Puede mover una masa entre 5 y 10 Kg.

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    5.2 Seleccion de la plataforma robotica 35

    5.2.2 Tanque RC Caterpillar

    La plataforma robotica Tanque RC Caterpillar mide aproximadamente 170x167

    mm2 y 80 mm de altura, tiene una masa cercana a 1 Kg. Cuenta con un sistema de

    traccion tipo oruga para terrenos planos. Tiene un precio aproximado de 199.077

    COP. [52]

    Figura 5.5: Plataforma Tanque RC Caterpillar [52].

    Sus atributos son:

    Estructura solida.

    Estructura de aluminio.

    Funciona con un voltaje de 9 V.

    Motor de corriente continua que puede producir 200 rpm a 9 V.

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    5.2 Seleccion de la plataforma robotica 36

    5.2.3 ALSRobotBase 4WD (Harbin Alseon Robotics Tech-

    nology Co.)

    Tiene un tamano de 206x200 mm y una altura de 120 mm2, con un peso aproxima-

    do de 1.28 Kg. Tiene un sistema de traccion de cuatro ruedas de alto rendimiento,

    resistente a la abrasion, a la vibracion y con un agarre fuerte. Una placa de so-

    porte que puede alojar controladores y sensores gracias a los agujeros de montaje

    que posee. Tiene un precio aproximado de 183.545 COP [53].

    Figura 5.6: Plataforma ALSRobotBase 4WD [53].

    Las caractersticas de esta plataforma son:

    Estructura de aluminio.

    Motor de corriente electrica que proporciona 120 rpm.

    Funciona con un voltaje de 12 V y una corriente de 0.37A.

    Llega a ejercer un maximo de torque de 55.3 Nm.

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    5.2 Seleccion de la plataforma robotica 37

    5.2.4 Rover 5 con Encoders

    La estructura de plastico resistente de la plataforma tiene unas medidas estimadas

    de 245x225 mm2, una altura de 75 mm y un peso aproximado de 0.72 Kg. Cuenta

    con sistema de traccion tipo oruga que le permite pasar por encima de la mayora

    de superficies y terrenos irregulares, donde su principal uso es en los interiores de

    las edificaciones. Tiene un precio de 195.000 COP[54].

    Figura 5.7: Plataforma Rover 5 con Encoders [54].

    Las principales caractersticas de esta plataforma son:

    Estructura de plastico resistente.

    Soporte de 6 bateras AA.

    Cuatro motores de corriente continua que puede llegar a una velocidad maxi-

    ma de 25 cm/s.

    Voltaje de 7.2 V.

    Tiene capacidad de escalar pendientes que no sean muy empinadas, restrin-

    gido simplemente por la friccion.

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    5.2 Seleccion de la plataforma robotica 38

    5.2.5 Lego Mindstorms Education

    La plataforma posee unas dimensiones maximas de 117 x 381 x 384 mm2 depen-

    diendo como lo desee el usuario y una masa de 2.08 Kg. Cuenta con 3 servomotores

    incluidos, con sensores de rotacion que permite mantener una velocidad estable

    para un mejor control, y aseguran la precision en el movimiento del robot. Posee

    un bloque inteligente con microprocesador de 32 bits, mas memoria y memoria

    flash, con un ambiente de programacion sencilla, intuitiva y basada en iconos de

    arrastrar y soltar. Contiene un sistema de traccion tipo oruga que se utiliza para

    poder recorrer por terrenos irregulares o con grado de inclinacion leve. Igualmen-

    te posee sensores que le ayudan a reaccionar segun a la circunstancia que se vea

    involucrado.

    Figura 5.8: Plataforma Lego Mindstorms Education[1].

    Las caractersticas destacables de esta plataforma son:

    Estructura de plastico: 550 elementos seleccionados para una contruccion

    robusta y duradera.

    Soporte de 6 bateras AA.

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    5.3 Sntesis de la plataforma roboticas 39

    NXT: cerebro del robot Mindstorms.

    Sensor de toque, sensor de sonido, sensor de luz, sensor de ultras onico.

    3 servomotores.

    5.3 Sntesis de la plataforma roboticas

    En la tabla 5.1 se muestran las caractersticas mas notables de las plataformas

    roboticas mencionadas anteriormente.

    Cuadro 5.1: Comparacion de las Plataformas.

    Plataforma Medidas(mm)

    Masa(Kg)

    Fuentede poder

    Traccion Precio(COP)

    DIY tanque de jugue-te RC

    280 x 250x 60

    2 Batera de9 y 12 V

    2 correas (oru-ga)

    232.631

    Tanque RC Caterpi-llar

    170 x 167x 80

    1 Batera de9 V

    2 correas (oru-ga)

    199.077

    ALSRobotBase 4WD 206 x 200

    x 120

    1.28 Batera de

    12 V

    4 ruedas de alto

    rendimiento

    183.545

    Rover 5 con Encoders 245 x 225x 75

    0.72 6 BaterasAA

    2 correas (oru-ga de gomaelastica)

    195.000

    Lego MindstormsEducation

    117 x 381x 384

    2.08 6 BaterasAA

    2 correas (oru-ga de plastico),2 ruedas de go-ma y una ruedaloca.

    1.374.553

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

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    5.4 Estructura del sistema robotico de telepresencia 40

    5.4 Estructura del sistema robotico de telepre-

    sencia

    Se opta por utilizar una plataforma robotica que cumpla con todas las caractersti-

    cas y requisitos necesarios en el proyecto. A continuacion se proporcionan los re-

    quisitos exigidos para una plataforma y por que la Lego Mindstorms Education.es

    la indicada para la realizacion de dicho trabajo:

    Su sistema de traccion debe pasar por superficies o terrenos no homogeneos.

    La plataforma debe contar con el area suficiente para albergar la fuente de

    alimentacion que se va a utilizar y todos los componentes electr onicos que

    van a ir en su interior como tambien en su exterior.

    Poder ajustar la altura de la plataforma.

    Figura 5.9: Estructura del sistema robotico de telepresencia

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    Captulo 6

    Pruebas de usabilidad

    Despues de realizar pruebas de calidad del servicio del audio, video y comandos,

    se concluye que:

    El audio y video (transmitido a traves de WiFi), tiene una velocidad de

    transmision aproximada a 250 Mbps y una distancia maxima de 15 metros

    a la redonda.

    Los comandos de direccion y potencia de la plataforma (transmitido a traves

    de WiFi), tiene una velocidad aproximada a 20 Mbps y una distancia maxima

    de 10 metros a la redonda.

    No hay impedimentos fsicos para evitar el buen funcionamiento del SRT.

    Las pruebas de experiencia se realizan sobre un conjunto de 15 usuarios; a cada

    usuario se le explica las bases necesarias para utilizar el SRT de manera adecuada

    y posteriormente manipular la plataforma, posicionando en un casa al usuario en

    el segundo piso y el SRT en el primer piso. Finalmente, se le designa al usuario un

    cuestionario con 5 preguntas que permite adquirir informacion sobre la funcion y

    el desempeno del sistema.

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

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    Pruebas de usabilidad 42

    1. En una calificacion de 1 a 5 (siendo 1 la calificacion de muy difcil y 10

    muy facil), que tan complicado le parecio manipular la plataforma?

    Figura 6.1: Resultados de la pregunta 1 del cuestionario.

    El 93.3 % de los usuarios considero que la manera como se empleaba la

    plataforma y los dispositivos moviles era la adecuada.

    2. Tuvo problemas con la garantizacion de la calidad del servicio (fluidez, co-

    nexion estable)?

    Figura 6.2: Resultados de la pregunta 2 del cuestionario.

    Segun los resultados de esta pregunta, el 100 % de los usuarios quedaron

    totalmente satisfechos.

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    Pruebas de usabilidad 43

    3. Sintio dificultad al operar la plataforma con un dispositivo movil y al mismo

    tiempo observar el recorrido de la esta?

    Figura 6.3: Resultados de la pregunta 3 del cuestionario.

    El 100 % de los usuarios consideraron que no tuvieron dificultad en ope-

    rar y observar el recorrido de la plataforma.

    4. Es agradable utilizar la plataforma de esta manera?, si no es agradable,

    que le agregara o le quitara?

    Figura 6.4: Resultados de la pregunta 4 del cuestionario.

    De quince usuarios, diez le agregaran una mejor traccion a la platafor-

    ma y punto maximo hasta donde se extiende esta, es decir que el 66.6 %

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

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    Pruebas de usabilidad 44

    de los usuario le cambiaria y/o agregara algun artefacto a la plataforma

    para su mejora. Los otros 5 aseguraron que es agradable.

    5. Considera que la plataforma responde de una manera adecuada a las ordenes

    entregadas?

    Figura 6.5: Resultados de la pregunta 5 del cuestionario.

    El 100 % de las personas concluyeron que el sistema responde de una

    manera adecuada y acertada a sus ordenes.

    Al analizar y comparar la respuestas de los usuarios frente al cuestionario que

    se les designa, se puede concluir que el prototipo desarrollado en este proyecto

    de grado cumple satisfactoriamente con todos los objetivos que se propuestos. Se

    observa que el sistema tiene dificultades en el momento de recorrer terrenos que

    no sean totalmente planos o que tengan inclinaciones, debido a que al material

    en el que esta hecha la traccion de la plataforma, hace que deslice sobre algunos

    terrenos. De la misma forma se reconoce como lmite la distancia de conexion, ya

    que se restringe al rango de alcance de la red Wifi.

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

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    Captulo 7

    Conclusiones

    Este proyecto desarrolla un sistema robotico de telepresencia que permite al usua-

    rio tener una mejor experiencia para trasladarse a otros lugares por medio de un

    dispositivo movil. Un robot es controlado por el usuario desde un lugar remoto

    en el cual le es permitido la transmision y recepcion de audio y video, siendo libre

    de dirigir la plataforma hacia la direccion que el usuario ordene, escuchando y

    viendo en tiempo real lo que el sistema esta percibiendo en su entorno.

    Los usuarios que manipularon el SRT, luego de una induccion basica del modo de

    de uso de la aplicacion, concluyeron que es un sistema que trabaja de manera opti-

    ma y de buena utilidad, especialmente en el entorno laboral, ya que en momentos

    de suma importancia les gustara trasladarse a otro lugar sin necesidad de estar

    fsicamente en este, y as, tomar decisiones en tiempo real con las autorizaciones

    y criterios suficientes, disminuyendo cualquier tipo de riesgos.

    Para el perfeccionamiento del modelo, es necesario mejorar el sistema de traccion

    para acondicionamiento de la camara de tal manera que tenga un alcance mas

  • 7/23/2019 Sistema Robtico de Telepresencia

    55/62

    7.1 Trabajos futuros 46

    amplio para el usuario, especialmente lo relacionado con el traslado del equipo de

    un lugar a otro.

    Este diseno permitio poner en practica parte de los conocimientos durante la for-

    macion recibida, e identificar la gran utilidad e impacto que se puede tener sobre

    la innovacion tecnologica en nuestro medio, garantizando a la sociedad maneras

    de desarrollarse cada da mejor.

    7.1 Trabajos futuros

    Como primera instancia, realizar la conexion a traves de internet utilizando un re-

    positorio en RTSP y otro UDP, para hospedar temporalmente los datos enviados

    por el usuario y que el SRT los reciba, para as dar accion a la orden requerida.

    Este sera un fin necesario si se piensa comercializar, ya que requiere inversion en

    el alquiler de los servidores.

    Se considera de manera pertinente, integrar en la plataforma un sistema donde

    el usuario pueda cambiar y ajustar la altura de manera remota a traves de la

    aplicacion, esto con el fin de que el usuario calcule la posicion de la camara y esta

    coincida con los ojos de las personas que esta interactuando.

    Tambien se apoya la idea de realizar un software que le muestre de manera opor-

    tuna al usuario que esta controlando la plataforma, un mensaje cuando la batera

    este a punto de terminar, para as poder retornar al punto mas cercano de carga.

    Por ultimo, disenar un mecanismo de gestion de calidad de servicio extremo a

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    7.1 Trabajos futuros 47

    extremo, desde el dispositivo movil del usuario en una red local al dispositivo

    movil del SRT en otra red local, ya que con la inclusi on de los servidores en

    RTSP y UDP, existe mas riesgo de perdida de datos.

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    57/62

    Referencias

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