TeleOptions: Framework para experimentación remota vía Internet con aplicación a telerrobótica.

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1 TeleOptions: Framework para experimentación remota vía Internet con aplicación a telerrobótica. C. Guerra Torres 1, J. de León Morales 2 Doctorado en Ingeniería Eléctrica-FIME.UANL San Nicolas de los Garza, Nuevo León, México 1 cguerratorres@gmail.com, 2 drjleon@gmail.com Teléfono: (52) , ext Resumen El acceso a equipo remoto para la experimentación ya sea en la enseñanza o en la investigación de robótica es una realidad y una necesidad debido los servicios y facilidades que ofrece el Internet. Diferentes trabajos relacionados con la teleoperación o telecontrol en robótica han sido expuestos, sin embargo carecen de una estructura eficiente que permita utilizarlos como recurso para implementar laboratorios remotos. En este trabajo se propone una arquitectura de distribución de software (framework) llamada TeleOptions que permite unificar las modalidades de: telecontrol + teleoperación + teleoperación para experimentación remota en robótica. Palabras clave: Telecontrol, Telerrobótica, Educación a distancia. I. INTRODUCCIÓN En estos últimos años se ha incrementado considerablemente las exigencias tanto de las industrias como de las universidades hacia los sistemas de control, es entonces donde surge la necesidad de implementar control de dispositivos a distancia mediante medios tecnológicos de comunicación accesibles y efectivos. Aunque esta necesidad ha sido atendida desde hace tiempo, no es hasta la aparición del Internet cuando adquiere un mayor interés ya que este representa un excelente medio de comunicación, altamente accesible y rentable para toda persona. Uno de los campos de investigación y de aplicación en telepresencia es precisamente la robótica, en donde el objetivo es ampliar la distancia entre el robot y el operador por un medio de comunicación que facilite y prevenga ciertas tareas específicas. En este aspecto, diversos trabajos basados en Internet han sido tratados desde hace tiempo. Algunos se han enfocado a la operación remota de manipuladores: (Igor, 2001), (Xiaoling, 2006). Otros la operación remota de robots móviles: (Meng, 2005), (Huoshemg, 2006). Algunos han mostrado mayor interés anexando modelos matemáticos como en (Cecilia, 2003) donde se utiliza el control de posición a distancia de un robot considerando un modelo representativo híbrido. Por otro lado, existen estudios dedicado al análisis de estabilidad de sistemas basados en la Internet, por ejemplo (Priya, 2006). Sin embargo, no es hasta los recientes años donde estas investigaciones han buscado migrar hacia aplicaciones más específicas tanto en la industria, la enseñanza y la investigación. Un ejemplo de ello son las plataformas para experimentación remota donde se busca proporcionar el acceso a equipo de experimentación de alto costo tanto para fines de investigación y/o docencia. Ya sea para enseñanza o para la investigación, es importante que investigadores o estudiantes puedan validar resultados mediante experimentación, pero en ocasiones estos son inaccesibles por cuestiones de espacio, tiempo y de acceso a equipo de alto costo. Es aquí donde los laboratorios remotos ofrecen una alternativa viable, confiable y sobre todo, de eficiencia como se puede mostrar en la figura 1 (A Biccigalupi, 2006) Fig. 1. Una comparación entre laboratorios presenciales y remotos Cuando se implementan laboratorios remotos es necesario considerar acciones suplementarias como: a) disponer de personal para mantenimiento y para ayuda en línea el mayor tiempo posible y b) adaptar adecuadamente el equipo para la experimentación remota. Precisamente en este último punto han surgido diferentes trabajos buscando solucionar este problema usando arquitecturas tanto en software y/o hardware. Diversos laboratorios en telerrobótica han sido expuestos para teleprogramación (Raul, 2004), para teleoperación (Huoshemg, 2006), ( Xiaoling, 2006) y para telecontrol (Shandong, 2004).} Sin embargo, pocos trabajos aportan información o metodologías que permitan utilizar sus resultados en la implementación de laboratorios remotos, y en caso de hacerlo se enfocan ya sea en telecontrol ó en teleoperación.

2 En este trabajo se detalla la propuesta de una plataforma multifunción para experimentación remota de un manipulador, basada en una estructura de distribución de software (framework) que permite la experimentación bajo tres esquemas de telepresencia: telecontrol + teleoperación + teleprogramación. Lo anterior a fin de mejorar el proceso de enseñanza y de investigación. Haciendo una extensión de la figura 1, la eficiencia de la plataforma propuesta se puede observar en la figura 2. Telerrobótica puede considerarse como una forma evolucionada de la teleoperación, caracterizada por el aumento de la autonomía en el sistema remoto manteniendo una intervención significativa del operador humano para supervisión o teleoperación directa. (Anilbal Ollero, 2007) La figura 3 muestra un esquema de la plataforma propuesta y que contiene estos 3 términos. Se puede observar la acción de telecontrol cuando el control se conecta vía Internet por medio de los canales de C-RS a S-RS (se refiere a cliente y servidor RS232). Por otro lado la teleprogramación se presenta cuando mediante el uso de una computadora se accede directamente a la interfase de los canales de C-RS a S-RS Por último, la teleoperación se presenta cuando del lado del servidor se expone los servicios del control y de la interfase. Se puede hacer uso de una computadora que utilice el protocolo VNC (Virtual Network Computer) que permite que una computadora VNC cliente tome el control de la misma. Fig. 1. TeleOption como una alternativa eficiente El framework propuesto es de bajo costo ya que usa los recursos de una PC para compartir servicios incluso usando software gratuito. El presente trabajo esta organizado de la siguiente manera: En el apartado 2 se dan algunos conceptos básicos para la comprensión del mismo, en el apartado 3 se da una detalla la plataforma mostrando la arquitectura del hardware, pero principalmente la arquitectura del software ya que se propone una arquitectura que facilita la implementación y uso en la experimentación remota bajo los tres esquemas de telepresencia. Posteriormente en al apartado 4 se muestra la plataforma en funcionamiento y por último, en el apartado 5 se dan las conclusiones y trabajos futuros. II. CONCEPTOS Y DESCRIPCION DE LA PLATAFORMA En este apartado se definirán los conceptos de teleprogramación, telecontrol y teleprogramación. La Teleoperación se refiere a la acción remota mediante un medio de comunicación, que permita cambiar los parámetros de un controlador y/o de la planta. En este caso el retardo en el tiempo afecta solo a la visualización del dispositivo pero no a la acción de control, ya que se encuentra del lado del servidor. Por otro lado, en el proceso de Telecontrol la acción remota la hace precisamente el controlador, entonces aquí el retardo en el tiempo es importante ya que puede afectar a la estabilidad del sistema (R.J. Anderson, 1979). Cuando se habla de teleprogramación se refiere al medio utilizado, generalmente en software, para programar remotamente el dispositivo electrónico que se comunica con el aparato. Fig. 3. Esquema de telepresencia propuesto. III. DESCRIPCION DE LA PLATAFORMA Existen algunas características interesantes tanto en hardware y software que hacen de esta plataforma una excelente tecnología para experimentación remota. El esquema general se muestra en la figura 4. A. Descripción del hardware. Robot. En este caso se cuentan con 2 tipos de manipuladores de la marca CRYA (CRYA, 2006). Microcontrolador PICAXE. Este microcontrolador juega un papel importante en la plataforma ya que posee una característica que lo pone en ventaja con respecto a otros. Por ejemplo: Es de bajo costo, de fácil programación (BASIC), posee un programa gratuito que además de programar mediante el uso de código, es posible hacerlo mediante diagrama esquemático TTL ó diagrama de flujo.

3 se ejecutan algunos scripts de servidor. Como medida de seguridad de la plataforma, solo es posible acceder a esta segunda capa por medio de un intérprete llamado PHP. Este se comunica en ese segundo nivel con el servidor de base de datos MySQL, con objetos COM (DLL s) y con el Winsock si es posible. En un nivel superior se encuentra los servicios de VNC (Virtual Network Computing). VNC permite compartir algunos recursos del framework para ser operados en forma remota mediante el procedimiento conocido como screen feedback que permite utilizar un escritorio remoto como si estuviera físicamente en ella. Fig 4. Descripción de la plataforma Pero la mejor característica de este microcontrolador es que pertenece a la serie In System Programing. Estos pueden ser programados sin necesidad de un programador especial, es decir, no necesitan ser extraídos de la tarjeta de control ya que en ella misma se pueden programar. Esta característica permite hacer programas interactivos en línea (teleprogramación). La figura 5 muestra la tarjeta picaxe con sus dos conectores seriales. Cámaras Web. En este caso se disponen de dos cámaras Web: Una para visualizar externamente el comportamiento del robot y otra, colocada en la pinza del mismo. A diferencia de las cámaras IP, estas cámaras son de bajo costo y es posible transmitir video en tiempo real mediante el uso de un programa adecuado y que posteriormente se discutirá. B. Framework. Fig 5. Tarjeta PICAXE con sus dos conectores seriales El uso del software en esta plataforma permite compartir varios recursos a la vez en la Web bajo una distribución y conexión de las capas del software que lo que lo hace más eficiente y costeable. La figura 6 muestra la arquitectura del software (framework) propuesto. Se puede observar como es posible acceder al framework mediante las modalidades de programación, control y operación remota. En la primera capa del framework se encuentran los servidores HTTP, RS232 y de WebCam; a la par aparece los servicios de comunicación del Winsock. En la segunda capa Fig. 6. TeleOption: Arquitectura de distribución del software B1. Winsock Es un recurso utilizado para la transmisión de información por la Web utilizando el protocolo TCP o UDP. Por este medio es posible comunicar programas para enviar instrucciones al microcontrolador, en ejemplo de ello es el hyperterminal de Windows, este puede realizar conexiones remotas a través del winsock. Por otro lado se pueden diseñar programas usando lenguajes de programación como VBasic, Java, C, C# para intercambiar información usando este protocólo B2. Servidor HTTP. Este servicio es de gran importancia ya que además de publicar la información en una página Web, permite interactuar con programas en una segunda capa como lo es el script de PHP. Con esto es posible diseñar un sistema de autentificación y de control de acceso, así como la comunicación con DLL s que permitan intercambi1ar información con otros programas o incluso alguna interfase del hardware. B3. Script PHP. PHP (PHP Hypertext Pre-processor) es un lenguaje de intérprete a nivel servidor diseñado para trabajar con contenidos dinámicos a nivel Web. Dentro de su sintaxis de programación, PHP permite el acceso a las bibliotecas dinámicas de Windows (DLL s), por lo que es posible: a) acceder e intercambiar información con otros programas como el Matlab, o bien b) diseñar programas a la medida en cualquier lenguaje, siempre y cuando este pueda ser migrado a DLL s.

4 En esta plataforma, PHP es utilizado para acceder al microcontrolador por medio de los puertos seriales y/o del winsock, además para acceder a la información de la base de datos MySQL. B4. Servidor MySQL. MySQL es un servidor de base de datos robusto y de bajo costo (gratuito para fines didácticos o de bajo la licencia OpenSource). Este importante elemento permite administrar cierta información que permitan: El control de acceso. Administrar la documentación a publicar. Crear foros de discusión o chats. B5. Bibliotecas dinámicas (DLL s). Son muchos los programas de comunicación ó de control que permiten el intercambio de información por medio de sus librerías dinámicas. Esto resulta ventajoso para nuestro propósito ya que permite acceder a dichos programas por medio de un script de PHP para el intercambio de información, a si mismo, dicha información puede ser publicada por una página Web. En el caso de nuestra plataforma, se diseño una DLL para la comunicación serial y así interactuar con el microprocesador por medio de una página Web. B6. Servidor RS232. Es posible exponer la información de un equipo que trabaja con el protocolo serial (RS232) en la Internet mediante dos maneras: Usando hardware. Estos equipos conocidos comúnmente como convertidores de protocolo RS232-TCP/IP, disponen de un pequeño servidor HTTP para no requerir de una PC. Estos dispositivos que están en el mercado pueden trabajar solo con un solo puerto serial, por lo que se requeriría de varios para nuestro propósito. Usando software. Estos programas son conocidos servidores seriales o servidores RS232. A diferencia de los del tipo de hardware, la mayoría de los programas puede compartir en la Web todos los puertos seriales que una PC permita, resultando ventajoso con respecto al hardware. B7. Servidor WebCam. Existen dos maneras para transmitir video por la Web,: Cámaras IP. Estas cámaras no necesitan de una computadora ya que disponen de pequeños servidores HTTP. Cámaras Web. Estas cámaras requieren de una computadora para poder trabajar. Por lo que es necesario instalar un servidor especial llamado Servidores WebCam. Estas cámaras generalmente son de menor costo que las cámaras IP. En nuestra plataforma se utiliza cámaras Web ya que se dispone de una computadora dedicada como servidor. IV. PLATAFORMA EN FUNCIONAMIENTO BAJO LAS TRES MODALIDADES. A continuación se detalla el funcionamiento de la plataforma bajo las modalidades de: teleoperación, telecontrol y teleprogramación. A. Modo de teleoperación En este caso se hace uso de las funciones de un servidor VNC que permite el control remoto de una PC mediante la transmisión de imágenes del escritorio. Específicamente se utilizaron los servicios de LogmeIn (LogmeIn, 2007), ya que además de ofrecer un servicio de VNC gratuito. A diferencia de otros programas de su genero y que son utilizados en la mayoría de plataformas similares, el uso del LogMeIN no presenta restricciones en el uso de puertos IP, ya que trabaja por el puerto 80 que generalmente esta abierto. Con esto es posible que el usuario pueda hacer uso de los programas de control y de visualización localizados en el servidor como si estuviera físicamente en el. La figura 7 muestra el acceso al servidor mediante los servicios de LogmeIN. En la figura se puede observar un módulo de control abierto en la computadora servidor y es manipulado remotamente. Puesto que el programa de control es del lado del servidor, entonces se tiene el caso de un teleoperador. B. Modo de telecontrol Fig. 7. Opción de teleoperación usando VNC Para esta primera etapa del proyecto se diseño un módulo para ser utilizado del lado del cliente. Este módulo elaborado en Visual Basic 6.0 usa como medio de comunicación el winsock. La figura 8 muestra el módulo de cliente. Se puede observar los controles de mando y las dos imágenes producidas por las dos cámaras Web, una localizada externamente al robot y otra colocada en la pinza del robot.

5 Fig 8. Módulo cliente en opción de telecontrol C. Modo de teleprogramación La figura 9 muestra un esquema del modo de teleprogramación. En esta figura se puede observar como es programado el PICAXE haciendo uso de diagrama de flujo. Puesto que el editor necesita detectar si el robot esta conectado a uno de los puertos seriales, y como el robot se encuentra localizado en forma remota, a fin de remediar este problema se hace uso de un software servidor serial llamado TCPCom que permite la comunicación vía Internet con otra computadora que disponga también de un TCPCom. Por lo tanto, a través de un puerto virtual creado en el lado del cliente por el TCPCom, el editor se comunica con el microcontrolador PICAXE del robot que esta en forma remota como si estuviera en forma local. Aquí es donde se puede programar el robot para ejecutar instrucciones que permitan la interacción en tiempo real, por ejemplo, la figura 10 muestra el uso remoto del Hyperterminal de Windows para comunicarse el PICAXE, este a su vez contiene un programa que bien se pudo hacer en forma remota. D. Página Web Fig 9. Uso del Hyperteminal para el control remoto Se diseño una página Web para que además de publicar la información de la plataforma, permite el acceso y la autentificación de la misma. La figura 11 muestra la plataforma en su modalidad de Web en funcionamiento Fig 11. Página Web de la plataforma Fig 8. Modo de teleprogramación V. CONCLUSIONES Y DISCUCIONES En este trabajo se presentó una plataforma para experimentación remota de un robot manipulador. La característica particular de esta plataforma propone los tres medios en telepresencia como lo es: telecontrol, teleprogramación y teleoperación, mismos que fueron definidos anteriormente. Una arquitectura de distribución del software (framework) fue propuesta en la que se puede observar como se puede realizar eficientemente las tareas antes mencionadas. En esta etapa del proyecto se diseño un programa de control para el robot, sin embargo como etapa posterior se desea utilizar dicha arquitectura para comunicarse con programas de control como lo es el MatLab.

6 VI. AGRADECIMIENTOS El presente trabajo se realizo gracias al apoyo recibido por la Universidad Autónoma de Nuevo León, y al proyecto ECOS-PAICYT, REFERENCIAS Anilbal Ollero (2007). Robótica, manipuladores y robots móviles. Alfa Omega, México. Igor R. Belousov, Ryad Chellali, Gordon J. Clapworky (2001). Virtual Reality Tools for Internet Robotic. IEEE International Conference on Robotics & Automation, Seul, Korea, May 21-26, pp Xiaoling Lv, Minglu Zhang, Feng Xiaolo Zhang (2006). Teleoperation of robot Based on Virtual Reality. IEEE Artificial Reality and telexistense. Nov 2006, pp Meng Wang, James N.K. Liu (2005). Interactive Control for Internetbased Robot teleoperation. Robotics and autonomous Systems 52: pp Huoshemg Hu, Lixiang Yu, Pui Wo Tsui, Quan Shou (2006). Interentbased Robotic for teleoperation. International Journal of Assembly Automation. Vol. 21 No.2. pp Cecilia E. Garcia, Ricardo Carelli, José F. Postigo. Carlos Soria (2003). Supervisory control for a telerobotic system: a Hybrid control approach. Control Enginering Practice Vol 11, pp Priya Ranjan, J. La, Eyad (2006). Global Stability Conditions for Rate Control With Arbitrary Communication Delays. IEEE Transactions on Networking. Vol 14, No 1. pp , Feb 2006 A Biccigalupi, C. de Capua, A. Liccardo Overview on Development of remote Teaching laboratorios: from LabView to WebServices, IMTC 2006, Sorrento Italy, Abril Raul Wirz, Raul Marin (2004). Remote Programming of an Internet Tele- Lab for Learning Visual Servoing Techniques: A case Study, IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics Shandong WU, Yimin Chen (2004). Remote Robot Control Using Intelligent Hand-held Devices. Prc. Of the 4 th. International Conference on Computer and Information Technology CRYA (2006). revisado en Julio del 2006 R.J. Anderson and M.W. Spong (1979). Bilateral Control Teleoperation with Time Delay. Trans. On Automatic Control. Vol24: , S. Agosto 1979 LogmeIn (2007), http// revisado en Julio del 2007.