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ISSN 1900-8260

Junio de 2009 N. 7 Pp 51-61 Publicada en lnea por la Asociacin Colombiana de Facultades de Ingeniera -ACOFI- www.acofi.edu.coEnviado: 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 nanciado porCOLCIENCIAS, 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 actividadeseducativas 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 collaborativeuse 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 Bibliogrco Nacional PUBLINDEX ,en el Sistema Regional de informacin en Lnea para Revistas Cientcas de Amrica Latina,

el caribe, Espaa y Portugal LATINDEX. Categora C.


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Revista Educacin en Ingeniera N. 7 200952

Copyright 2009 Asociacin Colombiana de Facultades de 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 lasideas, 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

geogrcamente (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 ladotan 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 virtualque Internet genera, es posible aprovechar de modo

ms eciente los recursos con los que cuentan loslaboratorios, 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 etal., 2001). Sin embargo, muchas instituciones deeducacin no disponen de sucientes herramientas,verstiles y robustas, que permitan la experimentacin

exible 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 conabilidad tanto en el hardware comoen 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 enla 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 conceptosbsicos relacionados con los laboratorios virtuales y

su impacto en la enseanza, especcamente en elrea de la ingeniera.

Finalmente, se presenta la arquitectura dellaboratorio 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 denir como un sistemade 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 geogrcamenteseparados 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 lasinterfaces de experimentacin de los laboratorios

son complementadas con metodologas que guan

a los usuarios en la forma adecuada de congurary 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 clasicacin 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 (pginaHTML,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 ejemploMatlab/

SimulinkoLabView.

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 afectarsu desempeo (Barreto et al., 2004), (Jaising, 2003),

(TakSum, 1999), (Xiaoping et al., 2003), tales como:

Retraso temporal: causado por el efecto deencolamiento, 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 lacapacidad de la red, lo que puede ocasionar una

prdida de informacin parcial o total.

Jitter: se dene como la variabilidad instantneadel retraso temporal, es decir, el tiempo desde la

generacin de un paquete hasta que se recibe puede

uctuar 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 etal., 2001), la cual es causada por los anchos de bandalimitados y los retardos temporales; otro factor que

puede degradar la percepcin del usuario respecto a

este tipo de ambientes es la disminucin en la abi-lidad del experimento debido alJittery 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 etal., 2005); esto implica aumentar la autonoma en elsistema 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 frecuenciacon la que se enva las imgenes. La percepcin de

movimiento y velocidad pueden degradarse si latasa de actualizacin de video es menor a 10 Hz porlo que se recomienda mantener la transmisin de

video al menos a 8frames por segundo (Chen et al.,2007). Permitir a varios usuarios utilizar el sistemasimultneamente signica 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),(Msaret al., 2004), (Moreno, 2005), (Sanchez J. etal., 2005). Entre esas ventajas se destacan:

Permiten a los profesores una mejor demostracinde los conceptos fsicos vistos durante las sesiones

de clase, simplemente conectndose al laboratorio

virtual y ejecutando los experimentos.

Son una solucin econmica para apoyar loscursos de aprendizaje a distancia.

Permiten e l acceso a p la taformas deexperimentacin de alto costo las 24 horas del da7 das a la semana, entregndole a los estudiantesla posibilidad de interactuar con ellas.

Si se orientan con una pedagoga y metodologaadecuada 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 mvily 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 laboratoriodistribuido para la experimentacin en robtica


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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-

tco en esta rea, fomentando de esta manera eltrabajo 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 yaplicacin. 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 denidas. 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. Elacceso 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 proyectocontempla 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 nales, tanto externoscomo internos. Se puede dividir en dos mdulos

independientes: la interfaz de administracin y el

mdulo middleware. La interfaz de administracin

se ejecuta sobre el servidorWeb APACHEy 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 estbasado 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

APIJDBCpara 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 antropomrco; en conjuntoofrece una capacidad de carga de 2 Kg. Este robottiene un alcance de 410 mm y combina una velocidadmxima de 2100 mm/s con una repetibilidad de0.02 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 comounidad 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 esposible comunicar el robot con el mundo exterior.

El CR1-571 es el encargado del sistema de controldel 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 identicaron los comandos de movimiento, estado

y noticacin de errores, con el n de lograr lacapacidad 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 redLANinalmbrica (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 remotaacceden a las plataformas a travs de las Interfaces de

Usuario. Cada interfaz grca es creada empleandola 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 cmaraIP Axis 214 PTZque 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 lasinterfaces 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

bibliogrcos que apoyan a cada curso.

Figura 4. Campus virtual del laboratoriodistribuido

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 losfrewall

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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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 nal es adquirir lascompetencias 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 robotrealice 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 nales setiene 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 programaral robot para que solucione el problema clsico de

programacin de las Torres de Hanoi.

Tabla 1. reas temticas del curso de robtica demanipuladores apoyadas por las herramientas de la

interfaz de experimentacin

TEMA CONTENIDO PRCTICAS OBJETIVOS

1. Introduccin ala robtica

Breve historia. Clasica-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

MitsubishiRV-2AJ

Apropiar los concep-

tos fundamentales de

los robots manipula-

dores

3. Cinemtica ydinmica 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 n de realizarsimulaciones de estos

modelos.

3. Control derobots 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. Programacinde robots mani-

puladores

Programacin off-line.

Programacin on-line.Lenguajes de progra-

macin de robots ma-

nipuladores. MELFABASIC IV.

Programacin

del robot

manipulador

Mitsubishi

RV-2AJ

Describir los mtodos

de enseanza para un

robot manipulador,

mediante aprendiza-

je directo o mediant e

lenguajes de progra-

macin de robots.

5. Aspectosprcticos 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

par a la sol uci n de

problemas.

La gura 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 otropara 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 modicando la posicin de cada articulacin. Asmismo, permite situar al robot en una posicin del

espacio cartesiano por medio de un dilogo, dondese ja 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,

permit ir a los es tudiantes crear archivos de

posiciones y de programacin en el lenguaje MELFA


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BASIC IV, para la realizar tareas especcas con elrobot manipulador, que nalmente se convertirnen 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 deentornos 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 usuariopuede utilizar la herramienta de teleprogramacin

para combinar habilidades bsicas con el n de lograrcomportamientos ms complejos que den solucin a

problemas tpicos en robtica (como por ejemplo la

navegacin evitando obstculos).

Tabla 2. reas temticas del curso de robticaMvil apoyadas por las herramientas de la

interfaz de experimentacin

TEMA CONTENIDO HERRAMIENTA OBJETIVO

1. Introducciny 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 yActuacin

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. ProgramacinOrientada 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. Modelocinemtico 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. Modelocinemtico 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, correccinde 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. NavegacinDeliberativa

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 grcas independientes.Estas interfaces estn constituidas por diferentes

paneles organizados de acuerdo al tipo de experimento

que se desee realizar (gura 6). Existen paneles queson 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 especcos para cada experimento (como porejemplo el panel de control Directo o los paneles

de conguracin de parmetros). Cada panel tieneuna 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 informacinentre 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 grcamente el funcionamiento del roboty su interaccin con el entorno. Este mmico es una

herramienta graca til que junto a la realimentacinvisual 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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Figura 6. Interfaz remota para la teleoperacindel 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 industrialMitsubishi 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 nde que los estudiantes de ingeniera desarrollen sus

habilidades de trabajo en grupo, multidisciplinar y

exploten sus conocimientos especcos 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 esquemascognitivos 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 derobtica mvil y de manipuladores, no solo sea usado

por la Universidad del Valle y la del Quindo, sino, pormuchos grupos de investigacin y Universidades del

pas que no poseen los sucientes recursos de softwarey hardware para interactuar con robots reales.

Referencias

Barber Castao, Ramon. (2000). Desarrollo de una Ar-quitectura para Robots Mviles Autnomos, Apli-

cacin a un Sistema de Navegacin Topolgica.

Tesis Doctoral Universidad Carlos III de Madrid.

Barreto Miguel, Florez Julian. (2004). Laboratorio Virtualpara la Experimentacin Remota sobre una Plata-

forma Servo Motor. Tesis Pregrado, Universidad

del Valle.

Chen J., Hass E., Barnes M. (2007). Human PerformanceIssues and User Interface Design for Teleoperated

Robots. IEEE Transactions on Systems, Mand, and

Cybernetics, Applications and Reviews, Volumen

37, numero 6, Noviembre.

Dalton Barnaby. (2001). Techniques for Web Telerobot-ics. Tesis doctoral, Department of Mechanical

and Materials Engineering University of Western

Australia, Australia.

Herrera O., Alves G., Fuller D., Alduante R. (2006).Remote Lab Experiments: Opening Possibilities

for Distance Learning in Engineering Fields.Education for the 21st Century-Imact of ICT andDigital Resourses, IFIP International Federation forInformation Processing, SpringerLink.

Hetero, herramienta de tele-enseanza de robtica. (2007).Consultado el 15 de Febrero en: http://www.esi2.us.es/ISA/GAR/GVR/hetero/.


10/11



Jaising Jitendra. (2003). Internet-Controlled Robots andWireless Sensor Networks Communication: Prob-

lems and Issues. Tesis de Maestra, The University

of Alabama, Estados Unidos.

Khamis R. Alaa. (2003). Interaccin Remota con RobotsMviles Basada en Internet. Tesis Doctoral Uni-

versidad Carlos III de Madrid.Masr I., Bischoff A., Gerke M. (2004). Remote expe-

rimentation in distance education for control en-

gineers. Proceedings of Virtual University 2004,Bratislava, Slovakia, Diciembre.

Melndez J. , Colomer J., De la Rosa, L.L, Fabregat, R. ,Macaya D. (2001). Experiencias en teleoperacinde procesos y telenseanza en la Universitat de

Girona. II Jornadas de Trabajo Enseanza va Inter-

net/Web de la Ingeniera de Sistemas y Automtica

(EIWISA 2001), Madrid.Moreno Ruiz Desire. (2005). Internet y educacin, Revista

Digital Investigacin y educacin. revista No. 15,Febrero.

Nez E., Fernndez L., Ramirez J. (2008). Aproximacinal aprendizaje por proyectos en sistemas lineales

de control. Consultado el 20 de Diciembre de 2008en: http://objetos.univalle.edu.co/les/Aproxima-cion_al_aprendizaje_proyectos_sistemas_linea-

les_control.pdf.

Rodrguez F., Salichs M., Khamis A. (2001). TeachingMobile Robotics to Anyone, Anywhere at Anytime.

1st. EURON Workshop on Robotics Education andTraining, Alemania.

Snchez Jos, Candelas Francisco. (2005). Recursos

Didcticos Basados en Internet para el Apoyo a laEnseanza de Materias del rea de Ingeniera deSistemas y Automtica. Revista Iberoamericana

de Automtica e Informtica Industrial. Volumen

2, Numero 2.

Snchez L., Rodrguez J., Narvaez R. (2005). Un labo-ratorio escolar de robtica remoto en ambiente

colaborativo. Departamento de Ciencias de la Com-

putacin. Universidad Nacional de Comahue 2005.

Consultado el 10 de Febrero de 2007 en: http://colos.fcu.um.es/TICEC05/TICEC05/54_567.pdf.Sartorius A., Hernandez L., Arcil R. (2005). Laboratorio

a Distancia para la Prueba y Evaluacin de Con-

troladores a travs de Internet. Revista Controle &

Automao, Volumen 16, No.1.Siegwart R., Saucy P. (1999). Interacting Mobile Robots

on the Web. ICRA99. Estados Unidos.TakSum Ho Teresa. (1999). System Architecture for In-

ternet-based Teleoperation System. Tesis Maestra,

University of Alberta, Edmonton Alberta.

Terrence F., Thorpe C., Baur Ch. (2001). Advanced In-terfaces for Vehicle Teleoperation: Collaborative

Control, Sensor Fusion Displays, and Web-BasedTools. Autonomous Robots, Vol. 11, No. 1, Julio.

Unesco-Organizacin de las Naciones Unidas para

la Educacin, la Ciencia y la Cultura. (2000).Informe de la reunin de expertos sobre labo-

ratorios virtuales. Paris. Consultado el 10 deFebrero de 2007 en: http://unesdoc.unesco.org/images/0011/001191/119102S.pdf.

Xiaoping P., Meng M., Yang S. (2003). Data Communi-cations for Internet Robots. Autonomous Robots

No. 15, Kluwer Academic Publishers, Holanda.Wang M., Lui J. (2005). Interactive control for Internet-

based mobile robot teleoperation. Robotics andAutonomos Systemes No. 52, ELSEVIER.

Sobre los autores

Eduardo Caicedo Bravo

Ingeniero 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

Edicio 354. Areas de inters: instrumentacin electrnica,educacin en ingeniera, inteligencia articial 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 Edicio354, [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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de Aprendizaje GAMA de la Universidad del Quindo,

Armenia (Colombia). reas de inters: control inteligente,inteligencia articial y robtica.

[email protected]

Jaime Alberto Buitrago

Estudiante de maestra en Ingeniera con nfasis enElectrnica, 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 computadores.

[email protected]

Bayron Andres Calvache

Estudiante 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 Edicio 354. reas de inters:robtica mvil, laboratorios remotos, instrumentacin y

sistemas embebidos.

[email protected]

Los puntos de vista expresados en este artculo no reejan necesariamente la opinin de laAsociacin Colombiana de Facultades de Ingeniera.

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