1. RESUMEN DEL PROYECTO

La educación actualmente presenta un gran avance en cuanto a nuevas metodologías apoyadas por ambientes de aprendizaje que involucran tecnologías llamativas que marcan el inicio de experiencias cada vez más enriquecedoras para los estudiantes. Los laboratorios virtuales son parte de esa transformación, permiten dar la cobertura, profundización y contextualización en la enseñanza de las diferentes áreas del conocimiento.

Mediante este proyecto se dotara a la Institución Universitaria Tecnológica de Comfacauca de una plataforma robótica con la capacidad de integración a la red de laboratorios virtuales implementados en el país.

En la actualidad, la Universidad del Valle y la Universidad del Quindío, han sido las pioneras de esta iniciativa, y para ello, han encontrado financiación a través de la Red Nacional Académica de Tecnología Avanzada – RENATA, mediante un proyecto aprobado en el 2006 bajo el nombre de “Laboratorio Distribuido con Acceso Remoto a través de RENATA para la Experimentación en Robótica”. Los resultados alcanzados y las oportunidades vislumbradas en esta fase, abrieron la posibilidad en una segunda fase, en donde se mejoraran algunos de los desarrollos y se plantea, la posibilidad de ingreso de otras universidades.

La primera fase del proyecto esta orientada a la búsqueda de la plataforma robótica que formaría parte de la red, por este hecho se debe tener como premisa que la selección del robot debe aportar a la red ya existente a nivel nacional una variedad de dispositivos y múltiples configuraciones para que esta red se complemente.

El componente hardware y software del proyecto se asocian a las etapas siguientes, es necesario tener dispositivos adicionales para permitir que la plataforma robótica se pueda operar de forma satisfactoria mediante un acceso remoto. El software esta asociado con el mecanismo de acceso al sistema (Cliente/servidor) y una interfaz de usuario para manipular y configurar las diferentes opciones presentes en la plataforma robótica.

El proyecto tiene asociado un material académico de apoyo que le permite a la comunidad educativa conocer el sistema, realizar un conjunto de prácticas y finalmente operarlo de forma remota.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los estudiantes de la tecnología en electrónica del ITC, y en general los jóvenes estudiantes de ingeniería, son bastante entusiastas en relación a la robótica. En el Instituto esto se ha reflejado en los desarrollos realizados a través del semillero de investigación; algunos de los cuales han participado en eventos nacionales y con destacados resultados. Sin embargo, temáticas relacionadas con la robótica como la construcción de mapas, planeación de trayectorias, entre otras, requieren de una plataforma robótica con altas características de robustez y predicción; características que suelen cumplir las plataformas comerciales con fines académicos y/o industriales. Así, la dotación de un laboratorio de robótica, suele requerir altas inversiones.

Para tal fin, la presente propuesta pretende realizar un estudio relacionado con la adquisición de una plataforma robótica y el desarrollo de un sistema que permita operarla de forma remota. Lograr este último aspecto, no es una tarea fácil en robots comerciales, pues poseen lenguajes de programación propios y sistemas embebidos para evitar el plagio tecnológico. El desafió entonces consiste en comprender aspectos operativos de hardware y software de plataformas comerciales para poder controlarlas remotamente utilizando la red de Internet o la Red Nacional Académica de Tecnología Avanzada – RENATA.

3. JUSTIFICACIÓN

En la actualidad, la Universidad del Valle y la Universidad del Quindío, forman parte de la Instituciones de educación Superior pioneras en la iniciativa de crear una red de laboratorios virtuales de robótica a nivel

nacional, y, para ello, han encontrado financiación a través de la Red Nacional Académica de Tecnología Avanzada – RENATA, mediante un proyecto aprobado en el 2006 bajo el nombre de “Laboratorio Distribuido con Acceso Remoto a través de RENATA para la Experimentación en Robótica”. Los resultados alcanzados y las oportunidades vislumbradas en esta fase, abrieron la posibilidad en una segunda fase, en donde se mejorarían algunos de los desarrollos y se amplía a otras universidades participantes.

La idea entonces, es preparar al ITC, para poder vincularse en la fase dos “FRAMEWORK PARA EL DESARROLLO DE LABORATORIOS DE ACCESO REMOTO SOBRE REDES DE ALTA VELOCIDAD (RENATA) APLICADO EN ROBÓTICA”, con los siguientes beneficios:

El desarrollo de la asignatura de robótica de manera virtual en el Instituto, abriendo nuevas posibilidades. Así mismo, la Universidad puede, posteriormente, replicar esta experiencia a otras asignaturas y/o programas brindados por la Institución.

Se amplia la oferta de laboratorios virtuales y plataformas robóticas. Se reducen los costos asociados a los implementos de laboratorios físicos. Se promueve la interconexión de los investigadores y de la academia a nivel nacional e internacional. Se pone al alcance de los estudiantes el resultado y desarrollo, para que pueden ser adquiridos casi

de manera inmediata. Se mejoran los niveles académicos de las instituciones en el área de la robótica a través de

RENATA. Se disminuyen los costos y los tiempos de desplazamiento que implica recibir, en un mismo curso,

exposiciones de diferentes expertos, y se maximizan las comunicaciones.

4. ESTADO DEL ARTE

Históricamente el hombre empezó a diseñar robots teniendo como premisa realizar tareas que las personas desarrollaban de forma secuencial pero bajo fuertes limitaciones de tiempo y emplear estos robots en ambientes hostiles y peligrosos. Aplicaciones como la exploración espacial y marina obligaban a que la operación de estos sistemas se realizara de forma remota, presentando complejas interfaces de usuario y medios de comunicación inalámbricos con ciertas limitaciones para enviar y recibir información.

Actualmente, el avance en las telecomunicaciones y el aumento de las velocidades de transmisión, permiten accesar a sistemas remotos y ejecutar tareas en tiempo real llevando información sensorial básica y/o video con bajos tiempos de transmisión.

El acceso remoto empleando Internet se ha venido conformando como una buena opción para la operación de plataformas robóticas, a continuación, se describen, a través de la Tabla 1, algunas iniciativas similares en el ámbito internacional:

A nivel nacional y regional, se destaca un proyecto que permite acceder a dos plataformas robóticas y manipularlas de forma remota, una de ellas ubicada físicamente en la ciudad de Cali en la sede Meléndez de la Universidad del Valle que consta de un robot móvil, y otra ubicada físicamente en Armenia en la Universidad del Quindío que consta de un manipulador industrial. Esta idea se materializó gracias al proyecto “Framework para el desarrollo de laboratorios de acceso remoto sobre redes de alta velocidad (RENATA) en el área de ingeniería”; proyecto cofinanciado por RENATA y que se constituye en el principal referente nacional de laboratorios virtuales de robótica

Otro tipo de aplicaciones desarrolladas a nivel regional son: Laboratorio Virtual, Remoto y Distribuido de Comunicaciones Basado en DSPs [Javeriana07] y

Telemec – A Remote Laboratory for Control Engineering Training [Telemec07] de la Pontificia Universidad Javeriana de Cali.

Laboratorio Virtual para la Experimentación Remota sobre una Plataforma Servo Motor [Barreto04], Implementación de un laboratorio virtual para el Estudio de Dispositivos Electrónicos [Ibarra06], Plataforma de procesamiento distribuido, con acceso remoto multiusuario y emulación de sistemas dinámicos, para investigación y educación en

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ingeniería[Univalle07] y Desarrollo tecnológico de los laboratorios remotos de estructuras e ingeniería sísmica y dinámica estructural[Univalle07a] de la Universidad del Valle.

PROYECTO DESCRIPCIONRobolab [Robolab07],

[Jara08]Laboratorio de la Universidad de Alicante. Permite teleoperar el brazo robótico Scorbot ER – 1x a través de Internet y realidad virtual.

Hetero, herramienta de tele – enseñanza de robótica [Hetero 07]

Desarrollado en la escuela superior de ingenieros en la Universidad de Sevilla. Su objetivo es hacer que un usuario remoto pueda conectarse a un servidor para hacer usos de herramientas, aplicaciones y servicios Web.

A Remote Laboratory for Teaching Mobile

Robotics [Khamis03], [RodriguezF01]

Laboratorio de la Universidad Carlos III de Madrid. Permite realizar diversos experimentos sobre un robot móvil B21 e interactuar con sus sensores.

Internet – based Teleoperation of a robot

Manipulator for Education [Yang04]

Proyecto desarrollado en conjunto por la Lakehead University, University of Ottawa y Carleton University del Canada.Tiene por objetivo facilitar el estudio del control de robots manipuladores

Xavier de CMU [Xavier07]

De la Universidad Carnegie Mellon, se desarrollo como una ayuda para probar algoritmos de navegación

KhepOnTheWeb de EPFL [Khep07]

Desarrollado en el Swiss Federal Institute of Technology of Lausanne. Proporciona el acceso, a través de los medios de comunicación en la red, a un robot móvil que funciona en un entorno complejo.

Sistema BGen-Web [Barbera03]

Es una aplicación robótica de exploración basada en Web. El objetivo de esta aplicación es proporcionar un control supervisor altamente interactivo de un robot móvil, con el objetivo de realizar una exploración de un entorno poco conocido o completamente desconocido.

LearNet [Rohrig00],[Masar04]

Proyecto realizado por la Universidad de Hagen en conjunto con otras Universidades Alemanas. Permite la interacción y control de diversos sistemas, entre ellos un robot móvil Pioneer y una plataforma móvil omnidireccional.

Telebased Control of Merlin Rover Robot

[Merlin07]

Desarrollado por el Instituto de Robótica y Telemática de la Universidad de Wurzburg. El sistema la da al usuario la capacidad de controlar remotamente varios aspectos de un robot móvil tales como la cinemática, el control de los motores o planificación de caminos.

Tabla 1. Laboratorios Remotos en Robótica. Fuente: Framework para el desarrollo de laboratorios de acceso remoto sobre redes de alta velocidad (RENATA) en el área de ingeniería, Bayron Calvache, Jaime Buitrago, Universidad del Valle, Universidad del Quindio.

5. OBJETIVO GENERAL

Construir una plataforma robótica conformada por un robot comercial y un sistema de comunicaciones que permiten operarla de forma remota empleando la red de alta velocidad RENATA.

6. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar un estudio que permita escoger la mejor opción de plataforma robótica a ser adquirida por la Institución Universitaria Tecnológica de Comfacauca.

Estudiar, definir, implementar y evaluar la manera en la que el sistema se comunicará en forma remota con el robot.

Estudiar, definir, implementar y probar algunas estrategias que permitan el control del robot por parte de un usuario de manera remota.

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7. MARCO TEÓRICO

La experimentación remota se relaciona con el concepto de interacción Hombre- Máquina, que, en este caso, supera las limitaciones espaciales en cuanto a la ubicación de ambos, al permitir que dicha interacción se realice remotamente.

Esta interacción puede abarcar desde un “simple” monitoreo a operaciones propiamente de control, ya sea de una o de doble vía. Los elementos básicos [Khamis03], [Ivanova03], [Jaising03] de experimentos remotos se pueden describir como sigue.

Interfaz de control: Este elemento permite realizar la manipulación directa del equipo que se va a controlar, por medio de esta interfaz se envían las ordenes o instrucciones que deben ser ejecutadas, por lo general se utiliza un computador, pero se pueden tener unidades de procesamiento más pequeñas Pockets pcs, palms, teléfonos celulares, sistemas embebidos, etc.

Dispositivo a controlar: Este elemento lo conforma la plataforma que se quiere controlar que puede ser:

- Un dispositivo real: En este caso se habla de plataformas que pueden estar fijas como brazos robóticos, plantas industriales, etc. o dispositivos móviles como vehículos.

- Una realidad virtual: el entorno es creado por medio de herramientas computacionales (dispositivos simulados)

- Realidad aumentada: el dispositivo es real pero la información proveniente del sistema de percepción sensorial es manipulada para aumentar el contenido de la misma.

Sistema de comunicación: Es el que permite que las instrucciones del sistema de control lleguen de forma confiable al dispositivo a controlar y que toda la información sensorial generada por la plataforma a controlar llegue a la interfaz de control.

Realimentación: Este elemento permite tener un control que puede ser visual en tiempo real o de realidad virtual de la plataforma a controlar.

Laboratorios virtuales usando InternetUn laboratorio virtual es aquel que permite a los usuarios acceder a un recurso físico de experimentación de forma remota, cuyas prácticas o guías de laboratorio son concebidas para facilitar el aprendizaje dirigido mediante metodologías apropiadas de aprendizaje.

Los laboratorios virtuales en general, se pueden clasificar por el tipo de interacción existente entre el usuario y el experimento [Sanchez05]:

Laboratorio Remoto: el sistema de comunicación esta realizado sobre Internet para acceder a la plataforma de experimentación. El software para realizar las tareas de control puede ser un navegador Web. El sistema puede contar con una realimentación visual en tiempo real.

Laboratorio Virtual Monolítico: por medio de un navegador se descarga la aplicación (Apple, ActiveX, etc) que opera como un recurso simulado. No se requiere instalar ningún entorno de simulación ya que la interfaz y el núcleo de simulación constituyen un único objeto.

Laboratorio Virtual Distribuido: el cliente se conecta con el servidor donde se encuentra alojada la aplicación del sistema, entonces el cliente opera este software ya que se ha establecido una comunicación entre la interfaz y el servidor de simulaciones.

Laboratorio Virtual Híbrido: funciona bajo el mismo concepto que el monolítico pero se requiere tener instalado en el computador del usuario el entorno de simulación.

Los laboratorios virtuales generan un gran impacto en áreas que tienen un componente alto de experimentación, pues le permite a las Instituciones compartir recursos y plataformas que son muy costosas y realizar estas practicas sin tener movilidad en la comunidad docente y estudiantil, además se crean redes de aprendizaje alrededor de aplicaciones que permiten que tanto docentes como estudiantes fortalezcan el trabajo cooperativo.

8. METODOLOGÍA

Realizar un estudio que permita escoger la mejor opción de plataforma robótica a ser adquirida por la Institución.

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Definir, especificar e implementar el sistema de comunicaciones a través del cual se realizará el control/supervisión del robot.

Recolección y análisis de la información relacionada con un sistema de comunicación inalámbrico entre el servidor y el robot.

Especificación e implementación de la plataforma de comunicación. Definición y especificación del protocolo de comunicación para controlar o supervisar al robot. Especificación de las herramientas software que cumplen con el protocolo de comunicación y

permitirán controlar o supervisar el robot. Implementación del protocolo de comunicación en el robot móvil. Implementación del protocolo de comunicación en el servidor. Organizar un documento que sirva de soporte. Escribir al menos un artículo en donde se relacionen los resultados más destacables del proyecto.

9. CRONOGRAMA

FASE ACTIVIDADESMES

INICIOMES

FINALIZACION1 Escoger la plataforma robótica 1 1

2Recolección y análisis de la información relacionada con un sistema de comunicación inalámbrico entre el servidor y el robot.

2 2

2Especificación de las herramientas software que cumplen con el protocolo de comunicación y permitirán controlar o supervisar el robot

2 2

2 Implementación del protocolo de comunicación en el robot móvil 3 42 Implementación del protocolo de comunicación en el servidor 3 5

2Definir, especificar e implementar el sistema de comunicaciones a través del cual se realizará el control/supervisión del robot.

6 10

2Especificar e implementar la arquitectura que albergará el sistemas de control del robot

8 11

3 Organizar un documento que sirva de soporte 1 12

3Escribir al menos un artículo en donde se relacionen los resultados más destacables del proyecto

11 12

10. RESULTADOS/PRODUCTOS ESPERADOS

La teleoperación del robot corresponde a una adaptación de la tecnología existente en una solución para permitir la interconexión del laboratorio de robótica de la Institución a una red nacional de laboratorios virtuales de robótica. Los resultados obtenidos serán sustentados a través de un documento de soporte y, al menos, un artículo publicado en una revista indexada nacional o alguna conferencia internacional en el área.

Así mismo, se afianzará el bagaje de la Institución en robótica, y se dotará el laboratorio con una herramienta que permite la realización de prácticas más sofisticadas en el área de las que se realizan en la actualidad; incluyendo aquellas necesarias para hacer investigación. De esta manera, la Universidad se preparará para la puesta en marcha de la carrera profesional de Ingeniería de Electrónica, y se generarán sinergias entre los investigadores del programa de la tecnología en sistemas y de la tecnología en electrónica dentro y fuera de la Institución.

11. IMPACTOS ESPERADOS DEL PROYECTO

Promover la participación de la Institución en una red de laboratorios virtuales de robótica; lo que le dará visibilidad en el área de la robótica, tanto a nivel académico como de investigación.

La Universidad se dotará con herramientas que le permita realizar desarrollos en robótica, y podrá hacer uso de otros laboratorios con el mismo fin.

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12. PRESUPUESTO

Presupuesto global de la propuesta por fuentes de financiación (en miles de $).

RUBROSFUENTES

TOTALITC FUENTE 1 FUENTE 2

PERSONAL NO FINANCIABLEEQUIPOS 6.600 6.600SALIDAS DE CAMPOVIAJES 500 500MATERIALES Y SUMINISTROS

1.700 Recursos Personales

MATERIAL BIBLIOGRÁFICO

400 400

SOFTWAREPUBLICACIONES/ EVENTOS/PATENTES

200 200

SERVICIOS TECNICOS 300 300TOTAL 8.000 1.700 9.700

Descripción de los gastos de personal (en miles de $), incluyendo el personal de la Institución Universitaria tecnológica de Comfacauca

NOMBRE DEL

INVESTIGADOR/

AUXILIAR

FORMACIÓN

ACADÉMICA

TIPO DE VINCULACIÓN

FUNCION

DENTRO DEL

PROYECTO

DEDICACION

RECURSOS TOTAL

ITC Personal externo al

ITCPersonal

con contrato

de tiempo

completo

Personal con otro tipo de

contratos

Sandra Nope PhD TC Coordinadora

5 X 4.140

Andrés Hurtado

Maestría en curso

TC Investigador Principal

20 X 16.560

TOTAL 20.700

Descripción de los equipos que se planea adquirir (en miles de pesos).EQUIPO JUSTIFICACION RECURSOS TOTAL

ITC Aportes externos

Plataforma robótica

Todo el proyecto gira alrededor del robot y su escogencia

X 6.500

TOTAL 6.500

6

Valoración salidas de campo (en miles de pesos)ITEM JUSTIFICACIÓN COSTO UNITARIO TOTAL

TOTAL

Descripción y justificación de los viajes (en miles de pesos)LUGAR JUSTIFICA

CION**PASAJES

($)ESTADIA

($)Días RECURSOS TOTAL

ITC Aportes Externos

Cali Reuniones con otros investigadores con experiencia en la comunicación remota de robots

40 60 10 100 500

TOTAL 500

Materiales e insumos (en miles de pesos)MATERIALES E INSUMOS

SUMINISTROSJUSTIFICACIÓN VALOR

Computador personal Se requiere para el desarrollo de las aplicaciones

1.700

TOTAL 1.700

Material Bibliográfico (en miles de pesos)MATERIAL BIBLIOGRÁFICO JUSTIFICACIÓN VALOR

Libros y publicaciones seriadas relacionadas con la temática

500

TOTAL

Software (en miles de pesos)SOFTWARE JUSTIFICACIÓN VALOR

TOTAL

Publicaciones/eventos/patentes (en miles de pesos)PUBLICACIONES/

EVENTOS/PATENTESJUSTIFICACIÓN VALOR

Revistas Indexadas y/o conferencias nacionales

En el caso de publicaciones indexadas suele no haber un costo relacionado aparte de los de envío. Sin embargo, en caso de conferencias se debe dejar un rubro para inscripción en el evento y

300

7

gastos de viajeTOTAL 300

Servicios Técnicos (en miles de pesos)SERVICIOS TÉCNICOS VALOR

Consultas de soporte técnico encaminadas al desarrollo del proyecto

300

TOTAL

13. BIBLIOGRAFÍA

Documento con el formulario electrónico con el que se postuló el proyecto “Laboratorio Distribuido con Acceso Remoto a través de RENATA para la Experimentación en Robótica” ante RENATA, 2006.[Barbera03] Barbera Humberto, Una Arquitectura Distribuida para el Control de Robots Autónomos Móviles. Tesis Doctoral, Universidad de Murcia 2003, en: http://ants.dif.um.es/humberto/thesis.html

[Barreto04] Barreto Miguel, Florez Julian, Laboratorio Virtual para la Experimentación Remota sobre una Plataforma Servo Motor. Tesis de pregrado, Universidad del Valle 2004.

[Hetero07] Hetero, herramienta de tele – enseñanza de robótica, en: http://www.esi2.us.es/ISA/GAR/GVR/hetero

[Ibarra06] Ibarra C., Madina S., Bernal A., Implementacion de un Laboratorio Virtual para el Estudio de Dispositivos Electrónicos, ALLexis 2007, en: http://teyet-revista.info.unlp.edu.ar/files/No2/TEYET2-art07.pdf

[Ivanova03] Ivanova Natali, Internet Based Interface for Control of a Mobile Robot. Tesis de Maestría, Royal Institute of Technology, Suecia 2003

[Jaising03] Jaising Jitendra, Internet-Controlled Robots and Gíreles Sensor Networks Communication: Problems and Issues. Tesis de Maestría, The University of Alabama 2003

[Javeriana07] Pontificia Universidad Javeriana Cali, Laboratorio Virtual, Remoto y Distribuido de Comunicaciones basado en DSP en: http://gar.puj.edu.co/Investigacion/Grupos/GART/TmpGar/Navegacion/Projects/index_html

[Jara 08] Jara C., Candelas F., Torres F., Virtual and Remote Laboratory for Robotics E-Learning, 18th European Symposium on Computer Arded Process Engineering, ELSEVIER 2008

[Khamis03] Khamis R. Alaa, Interacción Remota con Robots Móviles Basada en Internet. Tesis Doctoral Universidad Carlos III de Madrid, 2006

[Khep07] KhepOnTheWeb de EPFL, en: http://Khepontheweb.epfl.ch

[Masar04] Masár I., Bischoff A., Gerke M., Remote Experimentation in distance education for control engineers, Proceedings of Virtual University 2004, Bratislava, Slovaquia

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[Robolab07] Robolab, en: http://disclab.ua.es/robolab/labvir.htm[Rohrig00] Rohrig C., Jochheim A., Java-based Framework for Remote Access to Laboratory Experiments, IFAC/IEEE Symposium on Advances in Control Education, ACE 2000 Australia, 2000

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[Sanchez05] Sanchez José, Candelas Francisco, Recursos Didacticos basados en Internet para el Apoyo a la Enseñanza de Materias del Area de Ingeniería de Sistemas y Automática. Revista Iberoamericana de Automática e informática industrial, Volumen 2, Número 2, 2005

[Telemec07] Pontificia Universidad Javeriana de Cali, Telemec – A Remote Laboratory for controlEngineering training, en: http:// ingenieria.puj.edu.co/Investigación/Grupos/GAR/TmpGar

[Univalle07] Universidad del Valle, Plataforma de procesamiento distribuido, con acceso remoto multiusuario y emulación de sistemas dinámicos, para investigación y educación en ingeniería, en: http://www.univalle.edu.co/automatica/investigacion/proyectos_Investigacion.html

[Univalle07a] Universidad del Valle, Desarrollo tecnológico de los laboratorios remotos de estructuras e ingeniería sísmica y dinámica estructural, en: http://www.univalle.edu.co/automatica/investigacion/proyectos_Investigacion.html

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