Trabajos de Investigacion Univalle

ISSN 1900-8260Junio de 2009 N. 7 Pp 51-61 Publicada en lnea por la Asociacin Colombiana de Facultades de Ingeniera -ACOFI- www.acofi.edu.co

Enviado: 30/04/2009 Aprobado: 29/05/2009

LABORATORIO DISTRIBUIDO CON ACCESO REMOTO PARA LA ENSEANZA DE LA ROBTICAEduardo Caicedo Bravo, Eval Bladimir Bacca, Bayron Andrs Calvache Universidad del Valle, Cali (Colombia)Jaiber Evelio Cardona y Jaime Alberto Buitrago Universidad del Quindio, Armenia (Colombia)

Resumen

Este artculo presenta un laboratorio distribuido con acceso remoto para la enseanza de la robtica, que corresponde al principal resultado del proyecto de investigacin aprobado y financiado por COLCIENCIAS, CINTEL, Universidad del Valle y Universidad del Quindo. El laboratorio permite el desarrollo de sesiones prcticas interactivas a estudiantes de ambas universidades sobre plataformas mviles (Pioneer 3DX) y sobre brazos robticos (Mitsubishi RV-2AJ). Las tareas normalmente desarrolladas involucran: programacin, supervisin y visualizacin, esta ltima usando video y/o una representacin en 2D. Esta herramienta de enseanza en robtica permite que estas dos costosas plataformas de experimentacin puedan ser usadas colaborativamente por ambas universidades, mejorando la comunicacin entre estudiantes, grupos de investigacin y permitiendo el desarrollo de actividades educativas y/o investigativas multidisciplinares.

Palabras clave: Robtica, laboratorio virtual, educacin en ingeniera

Abstract

This paper presents the remote and distributed laboratory for robotics learning, developed at the Universities of Valle and Quindo (Colombia). The laboratory allows the students of both universities to develop programming, supervision and visualization skills using the Pioneer3DX robot as a mobile platform, and the Mitsubishi RV-2AJ robotic arm as a manipulator. The user has also access to video and/or 2D environment representations in real time. The software tools developed allow collaborative use of expensive robotic platforms between students, researchers and faculty members, and it offers the opportunity to develop multidisciplinary research and educational activities between both universities.

Keywords: Robotics, virtual laboratory, engineering education.

Indexada en el ndice Bibliogrfico Nacional PUBLINDEX ,en el Sistema Regional de informacin en Lnea para Revistas Cientficas de Amrica Latina,

el caribe, Espaa y Portugal LATINDEX. Categora C.

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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 las ideas, generando cambios importantes y novedosos en los sistemas educativos actuales. El aprendizaje autnomo gestionado a travs de la Web, los sitios Web especializados, las bases de datos de recursos educativos abiertos, los libros electrnicos, los cursos, campus y aulas virtuales y los laboratorios virtuales o remotos, entre otros, desempean un papel cada vez ms importante en los procesos de enseanza-aprendizaje, ya que adems de enriquecerlos permiten mejorar su cobertura, logrando llegar inclusive a estudiantes marginados econmica y/o geogrficamente (Khamis, 2003), (Sartorius et al., 2005), (Unesco, 2000).

Las nuevas posibilidades de interaccin que ofrece la Internet, permiten a su vez, el aprovechamiento de recursos humanos y de laboratorio sin necesidad de establecer una concurrencia geogrfica y de tiempo. El papel de Internet hoy puede ir mucho ms all que el de ser un simple medio para la distribucin de informacin, ya que las posibilidades que ofrece para establecer comunicaciones de forma bidireccional y acceder a infraestructuras remotas la dotan de un valor aadido que puede servir como un complemento innovador a las nuevas metodologas de enseanza (como el aprendizaje activo por ejemplo) hacindolas ms atractivas y motivadoras para los estudiantes (Moreno, 2005), (Nez et al., 2008). Adicionalmente y gracias al espacio virtual que Internet genera, es posible aprovechar de modo ms eficiente los recursos con los que cuentan los laboratorios, rompiendo las barreras econmicas, temporales y espaciales que se presentan al momento de su uso y extensin (Sanchez J. et al., 2005).

Los laboratorios de experimentacin remota en educacin aparecen como sistemas basados en equipos reales, que le permiten a los estudiantes desarrollar trabajo prctico a travs de un computador conectado a Internet en aquellas reas en donde las actividades de laboratorio juegan un rol fundamental (Melendez et al., 2001), (Herrera et al., 2006). Entre

estas reas se destaca la robtica, ya que adems de ser un campo del conocimiento en constante cambio y con una marcada proyeccin hacia el futuro, las experiencias en esta rea aportan un marco innovador para el abordaje de conceptos relacionados con otras disciplinas (Snchez L. et al., 2005), (Rodrguez et al., 2001). Sin embargo, muchas instituciones de educacin no disponen de suficientes herramientas, verstiles y robustas, que permitan la experimentacin flexible en esta rea.

Cualquier desarrollo en algn tema de la robtica implica necesariamente la construccin o compra del hardware para soportarlo o llegar solamente hasta la simulacin, ya que las plataformas estndar (industriales) para experimentacin son costosas dada su alta confiabilidad tanto en el hardware como en el software que incorporan. Esta situacin puede retardar los procesos de investigacin y aprendizaje, limitando as la posibilidad de desarrollar, crear y experimentar nuevos mtodos y sistemas en este campo y entregando el acceso a estas tecnologas a un grupo limitado de personas. Una de las respuestas a esta problemtica es la creacin de laboratorios de acceso remoto que gracias a una infraestructura de comunicacin, como la entregada por Internet, permitan compartir y optimizar el acceso y el uso de estas plataformas. Se propone entonces la creacin de un laboratorio distribuido soportado en la Red Nacional de Tecnologa Avanzada RENATA que permita compartir dos plataformas: una de robtica mvil y otra un brazo robtico industrial, ambas de alto costo, de tal manera que estudiantes de la Universidad del Valle y del Quindo puedan interactuar directamente con las plataformas mediante su programacin y supervisin, facilitando y apoyando aprendizaje de conceptos en robtica relacionadas con ellas.

En las siguientes secciones se presentan los conceptos bsicos relacionados con los laboratorios virtuales y su impacto en la enseanza, especficamente en el rea de la ingeniera.

Finalmente, se presenta la arquitectura del laboratorio distribuido implementado, sus principales caractersticas y las reas temticas de la robtica que impacta.

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Laboratorio distribuido con acceso remoto para la enseanza de la robtica

Laboratorios virtuales basados en Internet

Un laboratorio virtual se puede definir como un sistema de experimentacin basado en una infraestructura de comunicacin, como la proporcionada por Internet, en donde el usuario y los dispositivos a controlar (reales o simulados) estn geogrficamente separados y donde las tecnologas de la informacin y las comunicaciones se usan para permitir a los usuarios acceder a dichos equipos (Dalton, 2001), (Khamis, 2003), (TakSum, 1999). Normalmente las interfaces de experimentacin de los laboratorios son complementadas con metodologas que guan a los usuarios en la forma adecuada de configurar y realizar los experimentos, obtener y descargar los resultados.

Tipos de laboratorios virtuales

Existen variantes de los laboratorios virtuales que se diferencian principalmente en la forma en la que se realiza la interaccin entre el usuario y el experimento (Figura 1). Una posible clasificacin podra ser la

siguiente (Snchez J. et al., 2005):

Laboratorio remoto: se accede a travs de Internet a un sistema fsico real para su manipulacin di-recta. El software utilizado para el control remoto puede ser un navegador Web o una aplicacin que debe ser descargada del servidor del laboratorio. En algunas casos es posible tener realimentacin visual e incluso de audio, en tiempo real. Laboratorio virtual monoltico: utilizando un navegador se descarga una aplicacin (Applet, ActiveX, etc) que opera localmente como un re-curso simulado. Es decir, la interfaz y el ncleo de simulacin constituyen un nico objeto. No se necesita la instalacin de ningn entorno de simulacin, salvo el software necesario para la ejecucin de la aplicacin (plug-ins, run-time de Java, Labview, SysQuake, etc). Laboratorio virtual distribuido: el cliente utiliza una aplicacin (pgina HTML, Applet, ActiveX, etc.) para conectarse con un servidor en el que se encuentra todo el software de simulacin. El cliente ejecuta exclusivamente la interfaz en

su computador, establecindose un dilogo a travs de la red entre la interfaz y el servidor de simulaciones. Laboratorio virtual hbrido: es anlogo al monol-tico pero necesita obligatoriamente que el cliente tenga instalado en su computador el entorno de modelado o simulacin como por ejemplo Matlab/Simulink o LabView.

Figura 1. Tipos de Laboratorios Virtuales

Internet como medio de comunicacin

Internet se usa como medio de comunicacin en el desarrollo de sistemas de interaccin remota, aprovechando su fcil accesibilidad, alta disponibilidad, alta flexibilidad y bajo costo. Sin embargo, al implementar aplicaciones sobre Internet se debe tener en cuenta diversas condiciones que pueden afectar su desempeo (Barreto et al., 2004), (Jaising, 2003), (TakSum, 1999), (Xiaoping et al., 2003), tales como:

Retraso temporal: causado por el efecto de encolamiento, el tiempo de procesamiento, el tiempo de transmisin en los interruptores y de propagacin en las conexiones. Reducido ancho de banda: Causado por la congestin en la red y la interconexin de mltiples redes de datos entre el transmisor y receptor.Prdida de paquetes: se origina por exceder la capacidad de la red, lo que puede ocasionar una prdida de informacin parcial o total. Jitter: se define como la variabilidad instantnea del retraso temporal, es decir, el tiempo desde la generacin de un paquete hasta que se recibe puede fluctuar de un paquete a otro.

Las principales debilidades de los laboratorios re-motos frente a los tradicionales tienen su origen en

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la prdida de sensacin de presencia y continuidad percibidas por los usuarios al momento de ejecutar los experimentos (Siegwart et al., 1999), (Terrence et al., 2001), la cual es causada por los anchos de banda limitados y los retardos temporales; otro factor que puede degradar la percepcin del usuario respecto a este tipo de ambientes es la disminucin en la fiabi-lidad del experimento debido al Jitter y a la prdida de paquetes (Khamis, 2003), (Chen et al., 2007).

Los sistemas de experimentacin remota necesitan de un ancho de banda adecuado para la transmisin de seales de control, informacin sensorial y realimen-tacin visual. Un esquema para reducir la cantidad de datos transmitidos se basa en el uso de modelos de control supervisorio que permitan la interaccin a un nivel ms abstracto (Xiaoping et al., 2003), (Wang et al., 2005); esto implica aumentar la autonoma en el sistema remoto. Limitar la interaccin a comandos de alto nivel ayuda a disminuir el consumo de ancho de banda mientras que incrementar la autonoma de la plataforma ayuda a reducir la sensibilidad al retraso temporal. La realimentacin visual es el componente que exige el mayor consumo de ancho de banda, por lo que la transmisin de video e imgenes debe realizarse empleando formatos de compresin (MJPG MPEG4 por ejemplo) y limitando la frecuencia con la que se enva las imgenes. La percepcin de movimiento y velocidad pueden degradarse si la tasa de actualizacin de video es menor a 10 Hz por lo que se recomienda mantener la transmisin de video al menos a 8 frames por segundo (Chen et al., 2007). Permitir a varios usuarios utilizar el sistema simultneamente significa que los recursos del sis-tema deben compartirse, por lo que algunos tipos de interaccin o realimentacin deben restringirse segn el tipo de usuario (por ejemplo para observadores), en especial aquellos que requieren un ancho de banda alto (Khamis, 2003).

Laboratorios virtuales y educacin en ingeniera

En los ltimos aos los laboratorios virtuales han empezado a tener un gran impacto en los sistemas educativos, gracias a las ventajas que se obtienen al utilizar este tipo de tecnologas como apoyo y com-plemento de los procesos de enseanza-aprendizaje, especialmente en aquellas reas (como la ingeniera)

en donde las actividades de laboratorio juegan un rol fundamental (Herrera et al., 2006), (Hetero, 2007), (Msar et al., 2004), (Moreno, 2005), (Sanchez J. et al., 2005). Entre esas ventajas se destacan:

Permiten a los profesores una mejor demostracin de los conceptos fsicos vistos durante las sesiones de clase, simplemente conectndose al laboratorio virtual y ejecutando los experimentos. Son una solucin econmica para apoyar los cursos de aprendizaje a distancia.Permi ten e l acceso a p la ta formas de experimentacin de alto costo las 24 horas del da 7 das a la semana, entregndole a los estudiantes la posibilidad de interactuar con ellas. Si se orientan con una pedagoga y metodologa adecuada pueden fomentar el trabajo colaborativo y el aprendizaje activo en el estudiante.

Laboratorio distribuido para robtica

El laboratorio distribuido para robtica ha sido desarrollado en el marco del proyecto de investigacin Laboratorio distribuido con acceso remoto a travs de RENATA para la experimentacin en robtica. El laboratorio est constituido por una red de laboratorios remotos, ubicados fsicamente en las Universidades del Valle y del Quindo, que apoyan la componente prctica de los cursos de robtica mvil y de manipuladores, aprovechando las plataformas de experimentacin disponibles en estas instituciones (robot mvil Pioneer 3DX Universidad del Valle y robot manipulador Mitsubishi RV-2AJ Universidad del Quindo) y el canal de comunicacin de alta velocidad soportado por la Red Nacional Acadmica de Tecnologa Avanzada RENATA (Figura 2).

Figura 2. Estructura general del laboratorio distribuido para la experimentacin en robtica

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Este laboratorio distribuido proporciona herramientas de apoyo a la educacin en el rea de la robtica, ya que suministra a estudiantes e investigadores un acceso instantneo a interfaces de experimentacin remota, apoyadas en las herramientas de educacin virtual disponibles en las Universidades, como el Campus virtual. La sinergia de estas herramientas promueve y facilita el desarrollo acadmico y cien-tfico en esta rea, fomentando de esta manera el trabajo colaborativo, al socializar el acceso a recursos compartidos mediante infraestructuras de comunica-cin como la suministrada por RENATA, permitiendo la elaboracin de proyectos de cooperacin entre instituciones.

En este proyecto se propone una metodologa de aprendizaje para la robtica mvil y robtica de manipuladores orientada a la teora prctica y aplicacin. La fase terica es proporcionada a travs de una clase presencial, tutora o discusin en grupo; luego, la fase prctica y de aplicacin se realiza usando las herramientas de aprendizaje que los laboratorios virtuales ofrecen, las cuales combinan conceptos tericos contextualizados en aplicaciones definidas. Esta ltima fase est cons-tituida por varias sesiones prcticas con diferentes aplicaciones, donde cada aplicacin es pertinente al rea en cuestin, es decir, de robtica mvil y de manipuladores.

Arquitectura general del laboratorio distribuido

Cada interfaz para la experimentacin remota sobre robots mviles y manipuladores se basa en un modelo cliente-servidor y est constituida por cuatro com-ponentes bsicos: la plataforma de experimentacin (robot mvil Pioneer 3DX o robot manipulador Mit-subishi RV-2AJ) que acta como servidor de datos, un servidor de usuarios, los usuarios y la estructura de comunicacin que enlaza cada componente. El acceso a los laboratorios virtuales se realizar a travs de los Campus Virtuales de cada institucin, permi-tiendo que estudiantes de la Universidad del Quindo tomen un curso de Robtica Mvil y estudiantes de la Universidad del Valle tomen un curso sobre Manipuladores industriales (Figura 3). El proyecto contempla un enlace independiente a travs de una interfaz Web, la cual controla el uso de los recursos por parte de los usuarios, asigna horarios, permite el

registro de usuarios y la utilizacin de las herramien-tas de aprendizaje.

Figura 3. Arquitectura del laboratorio distribuido

El servidor de usuarios se enlaza a las plataformas de experimentacin y mediante las redes de datos de las universidades a los usuarios finales, tanto externos como internos. Se puede dividir en dos mdulos independientes: la interfaz de administracin y el mdulo middleware. La interfaz de administracin se ejecuta sobre el servidor Web APACHE y adems de albergar las aplicaciones que sern descargadas y ejecutadas por los clientes involucra un esquema de informacin (base de datos) para el registro de usuarios, el almacenamiento de informacin y la administracin y gestin de los recursos del sistema (datos, video, etc). El nivel de middleware es el que permite que las aplicaciones (Applets) descargados por los usuarios puedan comunicarse con los robots para ejecutar los experimentos. El middleware est basado en la tecnologa de Servlets de Java. Los Servlets son clientes del Servidor de Datos, por lo cual pueden acceder a la informacin generada por cada robot. Igualmente los Servlets emplean el API JDBC para actualizar continuamente la base de datos del sistema con informacin recibida segn el experimento ejecutado.

El robot Mitsubishi RV-2AJ es un robot manipulador industrial que tiene 5 grados de libertad, con una articulacin de tipo antropomrfico; en conjunto ofrece una capacidad de carga de 2 Kg. Este robot tiene un alcance de 410 mm y combina una velocidad mxima de 2100 mm/s con una repetibilidad de 0.02 mm, lo que lo hace ideal para entornos pequeos y especialmente para prcticas acadmicas e investigativas. El robot viene equipado con el controlador Mitsubishi CR1-571, el cual tiene como unidad central de procesamiento un microprocesador DSP/RISC de 64 bits, que permite la ejecucin de

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hasta 32 programas en paralelo en modo multitarea. El controlador cuenta con un puerto serie RS-232 y 16 entradas/salidas digitales, mediante los cuales es posible comunicar el robot con el mundo exterior. El CR1-571 es el encargado del sistema de control del robot.

La comunicacin entre el controlador del robot manipulador y el servidor de usuarios se realiza a travs del puerto serie RS-232. El controlador dispone de un puerto dedicado para esta comunicacin y de la misma forma se dispone de un servidor con este puerto. El protocolo de comunicacin entre el servidor y el controlador del robot se obtuvo analizando el software propietario de Mitsubishi para el control y supervisin de sus robots. Se extrajeron e identificaron los comandos de movimiento, estado y notificacin de errores, con el fin de lograr la capacidad de generarlos independientemente.

El robot mvil Pioneer 3DX, es un robot para interiores de tipo diferencial. Cuenta con un arreglo de sonares para la deteccin de objetos y encoders pticos asociados a cada motor, que permiten determinar continuamente su velocidad y posicin. La plataforma mvil se comunica a travs de un enlace RS-232 con un computador porttil que almacena y ejecuta todos los programas de control del robot. Este computador hace parte de una red LAN inalmbrica (WLAN).

La aplicacin software del robot mvil contiene los programas de control y supervisin del robot que so-portan los experimentos desarrollados. La aplicacin se comporta adems como un servidor de datos que, a travs del enlace inalmbrico, realimenta continua-mente al servidor de usuarios con la informacin de estado del robot.

Los usuarios del sistema de experimentacin remota acceden a las plataformas a travs de las Interfaces de Usuario. Cada interfaz grfica es creada empleando la tecnologa Applet de Java. Al ser un Applet, la aplicacin se descarga desde el Servidor de Usuarios y puede ser ejecutada por cualquier navegador Web con soporte Java (Mozilla, Flock, Internet Explorer, entre otros). En cada ambiente de experimentacin dispone de una cmara IP Axis 214 PTZ que acta como un servidor de video. Esta cmara entrega

un flujo de video en formato MJPG, el cual es utilizado por la aplicacin de usuario para generar una realimentacin visual del entorno en el que se encuentra cada robot.

Anlisis y discusin de resultados

Uno de los productos del proyecto fue la implementacin de un campus virtual para los cursos de robtica de manipuladores y robtica mvil (Figura 4), mediante el cual se gestiona el acceso a las interfaces de experimentacin remota y se presenta el contenido de las reas temticas y las practicas a desarrollar. El campus permite adems controlar el registro de los estudiantes y administrar los recursos bibliogrficos que apoyan a cada curso.

Figura 4. Campus virtual del laboratorio distribuido

El campus alberga los enlaces a las interfaces de experimentacin. Estas interfaces se han estructurado con base a una arquitectura de tres niveles (cliente-middleware-servidor) y sobre una red de alta velocidad (RENATA), garantizando un ancho de banda adecuado, retrasos temporales bajos (menores a un segundo) y una transmisin de informacin sin interrupciones o bloqueos por parte de los firewall de red.

Laboratorio de robtica de manipuladores

El curso de robtica de manipuladores est fundamentado en la metodologa de aprendizaje basado en problemas, donde al inicio en una reunin conjunta entre profesores y estudiantes se plantea

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un problema, cuya solucin se abordar a lo largo de todo el semestre con un proyecto de curso, apoyndose en la gua del profesor, los contenidos y las prcticas sugeridas. La meta final es adquirir las competencias necesarias para controlar y programar el robot manipulador pero a travs de la solucin de un problema inspirado en juegos de la vida cotidiana (lanzamiento de un dardo con el brazo robtico, juego de baloncesto, brazo robtico pintor, entre otros). Para esto, el estudiante programar secuencias de movimientos, soportadas por el lenguaje de programacin MELFA BASIC IV, para que el robot realice una tarea determinada. Los conceptos de robtica de manipuladores estn fundamentados en la cinemtica inversa y directa, espacio de trabajo, programacin secuencial de acciones, seguimiento de trayectorias y realimentacin sensorial.

La tabla 1 muestra las reas temticas del curso, sus objetivos y las prcticas propuestas. Una de las prcticas es la teleoperacin del robot manipulador, donde el estudiante controlar y conocer el robot manipulador a travs de la interfaz de experimentacin remota. As mismo, entre los proyectos finales se tiene el proyecto del Robot Escritor o Dibujante, donde el estudiante deber escribir un texto o realizar un dibujo sobre un tablero utilizando la interfaz de experimentacin remota. Otro ser, el proyecto de las Torres de Hanoi, donde el estudiante programar al robot para que solucione el problema clsico de programacin de las Torres de Hanoi.

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

interfaz de experimentacinTEMA CONTENIDO PRCTICAS OBJETIVOS

1. Introduccin a la robtica

Breve historia. Clasifica-cin y aplicaciones. Ten-dencias. Diagrama gen-rico. Morfologa de los manipuladores. Brazos mecnicos y elementos terminales. Actuadores. Sistema sensorial. Sis-tema de Control. Robot Mitsubishi RV-2AJ.

Teleoperacin del robot

manipulador Mitsubishi

RV-2AJ

Apropiar los concep-tos fundamentales de los robots manipula-dores

3. Cinemtica y dinmica de un

manipulador

Espacios articular y cartesiano. Cinemti-ca Directa. Cinemtica Inversa. Cinemtica de Movimiento. Modelo de Lagrange. Modelo de Newton-Euler. Ejem-plos.

Modelo y din-mico cinemtico

de un robot manipulador

Analizar y estudiar la posicin y orientacin en el plano y en el espacio del robot ma-nipulador.

Analizar y estudiar los modelos cinemticos y dinmicos de los robots manipuladores, con el fin de realizar simulaciones de estos modelos.

3. Control de robots manipu-

ladores

Generacin de trayec-torias. Control de Mo-vimiento en el espacio articular. Control de Mo-vimiento en el espacio cartesiano.

Control de movimiento

para un robot manipulador

Describir las tcnicas de control de un robot manipulador, as como las tcnicas para la generacin de trayec-torias que debe seguir el robot cuando realiza una tarea.

4. Programacin de robots mani-

puladores

Programacin off-line. Programacin on-line. Lenguajes de progra-macin de robots ma-nipuladores. MELFA BASIC IV.

Programacin del robot

manipulador Mitsubishi

RV-2AJ

Describir los mtodos de enseanza para un robot manipulador, mediante aprendiza-je directo o mediante lenguajes de progra-macin de robots.

5. Aspectos prcticos y

aplicaciones

Requisitos de instala-cin. Normas y segu-ridad industrial. Apli-caciones.

Proyecto Final

Apropiar los criterios, normas y tcnicas ne-cesarias para el diseo y la implementacin de sistemas robotizados para la solucin de problemas.

La figura 5, muestra la interfaz remota para la expe-rimentacin en robtica de manipuladores, que est constituida por dos paneles principales, uno para la teleoperacin del robot manipulador (Figura 5(a)) y otro para la implementacin de las prcticas (Figura 5(b)).

Figura 5. Interfaz remota para robtica de manipu-ladores: (a) panel teleoperacin, (b) panel prcticas

Para la teleoperacin se disponen de dos pestaas que permiten manipular el robot en el espacio cartesiano o modificando la posicin de cada articulacin. As mismo, permite situar al robot en una posicin del espacio cartesiano por medio de un dilogo, donde se fija la posicin desaseada. De la misma forma, se puede manipular la pinza (abrir y cerrar). Tambin, se dispone de dos paneles para la declaracin y visualizacin de las posiciones que se utilizarn en el panel de las prcticas.

El panel para la implementacin de las prcticas, permitir a los estudiantes crear archivos de posiciones y de programacin en el lenguaje MELFA

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BASIC IV, para la realizar tareas especficas con el robot manipulador, que finalmente se convertirn en proyectos que sern ejecutados en el controlador del robot. Para la teleoperacin y la ejecucin de los experimentos se dispone de un modulo de video que entrega al estudiante la realimentacin visual del robot y su entorno. Se cuenta adems con un modulo que muestra la informacin de la posicin actual del robot.

Laboratorio robtica mvil

Las herramientas de aprendizaje en robtica mvil estn basadas en una serie de experimentos que buscan enriquecer y apoyar las reas temticas del curso (tabla 2). Se crearon diferentes tipos de experimentos: teleoperacin, seguimiento de muros, seguimiento de trayectorias, reconstruccin de entornos y navegacin reactiva. Cada experimento se construye a partir de comportamientos o habilidades bsicas programadas en el robot; estas habilidades representan las capacidades sensoras y motoras de la plataforma (Barber, 2000). Igualmente el usuario puede utilizar la herramienta de teleprogramacin para combinar habilidades bsicas con el fin de lograr comportamientos ms complejos que den solucin a problemas tpicos en robtica (como por ejemplo la navegacin evitando obstculos).

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

interfaz de experimentacin

TEMA CONTENIDO HERRAMIENTA OBJETIVO

1. Introduccin y motivacin

Definiciones b-sicas, morfologa, niveles de control, aplicaciones, lneas de investigacin.

Experimento Teleoperacin

Apropiar el conocimien-to de un robot mvil de tipo diferencial real e interactuar con l.

2. Percepcin y Actuacin

Tipos de sensores, percepcin, sensores en robtica mvil, conceptos bsicos de movimiento, control de movimiento.

Experimento Teleoperacin,

Seguir Muros, Se-guir Trayectorias, Reconstruccin de Entornos, Navega-

cin Reactiva

Disear tareas comunes de los robots mviles usando sensores rea-les (odometra, lser, sonares) y actuadores del robot en diferentes entornos.

3. Programacin Orientada a Comporta-

mientos

Conceptos bsicos, esquemas de per-cepcin, diseo de controladores ba-sados en comporta-mientos, esquemas de Actuacin.

Experimento Pro-gramacin basada

en Habilidades

Programar el robot para la realizacin de tareas complejas (navegacin evitando obstculos por ejemplo). El estudiante dispone de una serie de comportamientos (habilidades) bsicos que puede configurar y mezclar usando dife-rentes tipos de coordi-nadores.

4. Modelo cinemtico y

dinmico de un robot mvil

Conceptos bsicos, modelo cinemtico, modelo dinmico

Experimento Te-leoperacin, Seguir

Trayectorias

Modelar el funciona-miento del robot mvil desde el punto de vista de su cinemtica.

5. Modelo cinemtico de

sensores

Conceptos bsicos, modelo cinemtico, ejemplo.

Experimento Teleoperacin,

Reconstruccin de Entornos, Seguir

Muros, Navegacin Reactiva

Modelar el funciona-miento real de senso-res de rango (lser y sonar).

6. Localizacin

Estrategias de loca-lizacin, correccin de errores odomtri-cos, visin.

Experimento Teleoperacin, Se-guir Trayectorias, Reconstruccin de

Entornos

Modelar el concepto de localizacin o posi-cionamiento del robot (odometra) y su fusin con la informacin sen-sorial generada por los dispositivos de rango (lser) y giroscopio para correccin de errores

7. Navegacin Deliberativa

Campos de potencial al detalle, estrategias deliberativas

Experimento Se-guir Trayectorias, Navegacin Reac-tiva, Herramientas deliberativas (en

construccin)

Generar trayectorias para el desplazamiento del robot a partir de informacin recibida de una cmara de visin global.

8. Cooperacin

Conceptos bsicos, tipos de coopera-cin, la percepcin y actuacin desde el punto de vista de la cooperacin, proble-mas adicionales de control que implica la cooperacin.

Herramientas de cooperacin (en construccin)

Interactuar con dos o mas plataformas m-viles buscando que realicen una tarea coo-perativa.

Cada experimento, incluyendo el de teleprogramacin, se ejecuta a travs de interfaces grficas independientes. Estas interfaces estn constituidas por diferentes paneles organizados de acuerdo al tipo de experimento que se desee realizar (figura 6). Existen paneles que son reutilizables para todos los experimentos como por ejemplo el panel de video real, el panel de estado, el panel de sonares y el panel de consola. Algunos paneles pueden cambiar segn el tipo de experimento (como por ejemplo el panel del video 2D) y otros son especficos para cada experimento (como por ejemplo el panel de control Directo o los paneles de configuracin de parmetros). Cada panel tiene una funcin particular y en conjunto le entregan al usuario adems de la capacidad de supervisin y monitorizacin de la plataforma mvil, una manera de evaluar los resultados del experimento realizado, gracias a la realimentacin sensorial y de estado del robot (odometra, sensores de rango, eventos) y la realimentacin visual generada (video real y video 2D). Entre los paneles sobresale el de Video 2D, en donde se realiza una fusin de informacin entre los datos entregados por los sensores de rango y los entregados por los sensores propioceptivos del robot, con el fin de generar un mmico que representa grficamente el funcionamiento del robot y su interaccin con el entorno. Este mmico es una herramienta grafica til que junto a la realimentacin visual le permite al estudiante determinar el estado del robot y de sus sensores as como las caractersticas del ambiente en el ste se encuentra.

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Figura 6. Interfaz remota para la teleoperacin del robot mvil

Conclusiones

Se ha presentado un laboratorio distribuido remoto para la enseanza de la robtica, en el cual a travs de la red de datos de alta velocidad RENATA se permite: la programacin, supervisin y visualizacin (real y mmico en 2D) de la plataforma mvil Pioneer 3DX a los estudiantes de la Universidad del Valle y de la Universidad del Quindo; y la programacin, super-visin y visualizacin del brazo robtico industrial Mitsubishi RV-2AJ a los estudiantes de las mismas universidades. Esta herramienta de aprendizaje en ingeniera est siendo utilizada preliminarmente en

las asignaturas de: Robtica Mvil de la Universidad del Valle y de la Universidad del Quindo.

A travs de esta herramienta de experimentacin se pretende un aprendizaje interactivo de los conceptos de la robtica mvil y de manipuladores; adems, esta herramienta est diseada e implementada con el fin de que los estudiantes de ingeniera desarrollen sus habilidades de trabajo en grupo, multidisciplinar y exploten sus conocimientos especficos para el desa-rrollo de proyectos, competencias que los ingenieros deben demostrar para insertarse laboralmente en la sociedad actual.

El principal potencial del proyecto de investigacin que se presenta en este artculo se orienta a ser una herramienta de aprendizaje de la robtica, la cual est asociada a la reconstruccin de los esquemas cognitivos actuando sobre las formas en que el alumno se apropia del conocimiento, como por ejemplo el anlisis e interpretacin de situaciones problemticas, la formulacin de estrategias y mecanismos de seguimiento de las mismas, el desarrollo de modelos para el trabajo colaborativo y cooperativo y el desarrollo de proyectos de trabajo como herramienta que sustenta la solucin de las situaciones problemticas. Finalmente, se espera que el laboratorio distribuido de robtica mvil y de manipuladores, no solo sea usado por la Universidad del Valle y la del Quindo, sino, por muchos grupos de investigacin y Universidades del pas que no poseen los suficientes recursos de software y hardware para interactuar con robots reales.

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 Virtual para la Experimentacin Remota sobre una Plata-forma Servo Motor. Tesis Pregrado, Universidad del Valle.

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Sobre los autores

Eduardo Caicedo BravoIngeniero Electricista de la Universidad del Valle, Mster en Tecnologas de la Informacin y Doctor en Informtica Industrial de la Universidad Politcnica de Madrid (Espaa). Profesor titular de la Universidad del Valle, Cali (Colombia) y Director del Grupo de Investigacin Percepcin y Sistemas Inteligentes PSI, Ciudad Universitaria Melndez Edificio 354. Areas de inters: instrumentacin electrnica, educacin en ingeniera, inteligencia artificial y [email protected]

Eval Bladimir Bacca Cortes Profesor asistente de la Universidad del Valle, Ingeniero Electrnico y Magster en Automtica de la misma

Universidad. Actualmente es estudiante de Doctorado en la Universidad de Girona, Espaa (beca LASPAU-COLCIENCIAS-Universidad del Valle). Integrante del grupo de investigacin en Percepcin y Sistemas Inteligentes PSI, Ciudad Universitaria Melndez Edificio 354, [email protected]. reas de intereses: robtica mvil, Procesamiento de imgenes e inteligencia computacional.

Jaiber Evelio Cardona Magster en Ingeniera con nfasis en Automtica, Programa de Posgrado en Ingeniera Elctrica y Electrnica - PPIEE de la Universidad del Valle. Docente e investigador en del Grupo de Automatizacin y Mquinas

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de Aprendizaje GAMA de la Universidad del Quindo, Armenia (Colombia). reas de inters: control inteligente, inteligencia artificial y [email protected]

Jaime Alberto BuitragoEstudiante de maestra en Ingeniera con nfasis en Electrnica, Programa de Posgrado en Ingeniera Elctrica y Electrnica - PPIEE de la Universidad del Valle. Docente e investigador en la lnea de investigacin de robtica del grupo de Investigacin Sistemas de Informacin y Control Industrial SINFOCI de la Universidad del Quindo, Carrera 15 Calle 12 Norte. reas de inters: interfaces

remotas, robtica y arquitectura de [email protected]

Bayron Andres CalvacheEstudiante de maestra en Ingeniera con nfasis en Automtica, Programa de Posgrado en Ingeniera Elctrica y Electrnica - PPIEE de la Universidad del Valle. Docente e investigador en el grupo Percepcin y Sistemas InteligentesPSI de la misma Universidad, ciudad Universitaria Melndez Edificio 354. reas de inters: robtica mvil, laboratorios remotos, instrumentacin y sistemas [email protected]

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

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