Desarrollo de laboratorios virtuales y remotos de robótica industrial Sistema Colaborativo Síncrono para Lab. Virtuales y Remotos

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1 Tesis Doctoral APORTACIONES AL APRENDIZAJE CONSTRUCTIVO Y COLABORATIVO EN INTERNET. APLICACIÓN A LABORATORIOS VIRTUALES Y REMOTOS DE ROBÓTICA INDUSTRIAL Carlos Alberto Jara Bravo Directores: Francisco Andrés Candelas Herías, Fernando Torres Medina Doctorado Interuniversitario en Automática y Robótica Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal Grupo de Automática, Robótica y Visión Artificial (AUROVA) Premios CESEI Índice Introducción Marco de la tesis Motivación y objetivos Aportaciones Desarrollo de laboratorios virtuales y remotos de robótica industrial Sistema Colaborativo Síncrono para Lab. Virtuales y Remotos Publicaciones 1

2 Marco de la tesis Con esta tesis doctoral se ha continuado una línea de investigación que el grupo AUROVA ha seguido desde finales de los 90. Parte del trabajo se enmarca dentro del proyecto Red de laboratorios virtuales y remotos para la enseñanza de la automática en la que participan varias universidades españolas (DPI E) Dirigido por el Catedrático Sebastián Dormido. Proyecto Manipulación inteligente mediante percepción háptica y control visual empleando una estructura articular ubicada en el robot manipulador. DPI Easy Java Simulations (EJS). Software desarrollado por el Dr. Esquembre y que ha servido para la implementación de las aportaciones de esta tesis. Motivación y objetivos Aprendizaje constructivo Sistemas tecnológico-educativos educativos Sistemas basados en contenidos Computer Supported Collaborative Learning (CSCL) - Síncronos / Asíncronos Sistemas basados en práctica - Content Management Systems (CMS) -Learning Management Systems (LMS) Sistemas basados en colaboración Simulaciones interactivas Laboratorios virtuales y/o remotos (LVR) Aprendizaje colaborativo Crear herramientas que facilitan el desarrollo de laboratorios virtuales y remotos de robots manipuladores Desarrollar un entorno que integre las herramientas para el aprendizaje constructivo dentro de entornos colaborativos. 2

3 Aportaciones Desarrollo de Laboratorios Virtuales y Remotos de Robótica Industrial Aprendizaje Constructivo Sistema Colaborativo Síncrono para Laboratorios Virtuales y Remotos Aprendizaje Colaborativo Por qué elegir EJS? Biblioteca Gráfica 3D Easy Java Simulations Permite e crear cea simulaciones uaco interactivas eac as de manera sencilla. Diseñado para personas no expertas en programación. Contiene multitud de elementos para crear la interfaz gráfica y el entorno virtual. Basado en Java. Interfaz 3D para desarrollar entornos virtuales de alta calidad gráfica Biblioteca gráfica 3D 3

4 Capacidades gráficas Biblioteca Gráfica 3D Importación archivos gráficos Texturas Objetos parciales Ejemplos de aplicaciones con los nuevos elementos 3D Biblioteca EjsRL Biblioteca de RyV Arquitectura software EJS+EjsRL 4

5 LVR de robótica RobUALab RobUALab.ejs Biblioteca RyV Biblioteca Gráfica 3D Un nuevo laboratorio virtual y remoto para la enseñanza a distancia de robótica industrial Interfaz gráfica muy realista e interactiva Laboratorio remoto con capacidades de teleoperación avanzadas Laboratorio virtual completo con opciones novedosas (dinámica y programación virtual) Laboratorio real RobUALab Paneles de protección Armario con PLC y relés Brazo robot Almacén de piezas Sensor Cinta transportadora Controlador del robot Anclaje al suelo Piezas de colores Mesa giratoria 5

6 Componentes hardware RobUALab PC Usuario Internet Servidor principal PLC Servidor Principal Proporciona servicios web Controla acceso usuarios Comunicación serie con PLC Cámara IP LAN Servidor Teleoperación Servidor Teleoperación Comprueba las trayectorias enviadas Traduce las órdenes a lenguaje ACL y las envía al controlador Obtiene la posición real del robot para la realimentación on-line Controlador del robot Cámara IP Realimentación por vídeo para el control remoto de la planta Interfaz applet cliente RobUALab 6

7 Interacción remota RobUALab Opciones de teleoperación Ejecución de movimientos previamente simulados. Control de iluminación / proyección cámara IP. Realimentación doble: imágenes de video y actualización gráfica. Interfaz realidad aumentada: combina la simulación con la vista de la cámara. Reconocimiento de objetos sobre la mesa para su representación en el entorno virtual. Material docente RobUALab Actualmente RobUALab.ejs se utiliza en las prácticas de la asignatura Robots y Sistemas Sensoriales de la carrera de Informática en la Universidad de Alicante. RobUALab.ejs también está disponible para las otras universidades que participan en el proyecto AutomatL@bs. Toda la documentación para las prácticas se ofrece a través de AutomatL@bs. 7

8 Otras aplicaciones Biblioteca de RyV Mano robótica de tres dedos Sistema multi-robot acoplado Otras aplicaciones Biblioteca de RyV Modelo dinámico completo de un robot EjsRL Proyección virtual Robótica Detección puntos Simulación de control visual indirecto basado en imagen Visión 8

9 Investigación previa Sistema Colaborativo Laboratorios virtuales y/o remotos Entorno web colaborativo síncrono Aprendizaje constructivo Aprendizaje colaborativo Sistema de colaboración síncrona para applets EJS No existe ningún sistema colaborativo síncrono que integre LVR Arquitectura sistema Sistema Colaborativo Componentes y funcionamiento del sistema Applet profesor: comanda la clase virtual y gestiona la entrada/salida de los alumnos. Applets alumno: se encuentran deshabilitadas durante la clase virtual. Asignación de tiza: el profesor da permiso a un alumno para controlar la clase virtual Deshabilitadas Tiza Protocolos TCP/UDP 9

10 Sistema colaborativo Sistema Colaborativo Sistema colaborativo on-line. El sistema se puede completar con un programa de chat y video-conferencia (Skype) Resultado final colab. Sistema istema Colaborativo Integración del sistema de colaboración síncrona en EJS Utilización de protocolos estándares Integración de applets colaborativos en Moodle TCP UDP Portabilidad para otras versiones de EJS Utilización con Applets y Aplicaciones (Intranet / Internet) Entorno que contiene todos los sistemas educativos (Contenidos / Práctica / Colaboración) Applet Profesor Applet Alumno 10

11 Publicaciones Publicaciones en revistas Ejs+EjsRL: An interactive tool for industrial robots simulation, Computer Vision and remote operation. Jara, C. A.; Candelas, F. A.; Gil, P.; Torres, F.; Esquembre, F.; Dormido, S. Robotics and Autonomous Systems (ISSN ). Vol. 59 (6). Pp Docencia en Automática: Aplicación de las TIC a la realización de actividades prácticas a través de Internet. Héctor Vargas, José Sánchez, Sebastián Dormido, Carlos A. Jara, Francisco A. Candelas, Fernando Torres. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial. Vol 7 (1), pp , Synchronous collaboration of virtual and remote laboratories. Carlos A. Jara, Francisco A. Candelas, Fernando Torres, Francisco Esquembre, Sebastián Dormido. Computers Applications in Engineering Education (online 2009 y aceptado para impreso). Real time collaboration of virtual laboratories through the Internet. Carlos A. Jara, Francisco A. Candelas, Fernando Torres, Francisco Esquembre, Sebastián Dormido, Óscar Reinoso. Computers & Education. Vol ), pp , An advanced interactive interface for Robotics e-learning. Carlos A. Jara, Francisco A. Candelas, Fernando Torres. International Journal of Online Engineering, Special Issue on Telerobotics and Bilateral Control. Vol. 4 (4), pp , Publicaciones Ponencias en congresos internacionales EJS+EjsRL: a free Java tool for advanced Robotics simulation and Computer Vision processing. Jara, C. A.; Candelas, F. A.; Pomares, J.; Gil, P.; Torres, F. 7th International Conference on Informatics in Control, Automation ti and Robotics. Funchal (Madeira, Portugal), An augmented reality interface for training robotics thruogh the web. C. A. Jara, F. A. Candelas, P. Gil, M. Fernández, F. Torres. 40th Int. Symposium on Robotics, Barcelona, Practical experiences using RobUALab.ejs. C. A. Jara, F. A. Candelas, S. T. Puente, J. Pomares, F. Torres. Advances in Control Education. Kumamoto (Japón), New features of Easy Java Simulations for 3D modelling. C. A. Jara, F. Esquembre, F. A. Candelas, F. Torres, S. Dormido.Advances in Control Education. Kumamoto (Japón), 2009 RobUALab.ejs: a new tool for Robotics e-learning. Carlos A. Jara, Francisco A. Candelas, Fernando Torres. 5th International Conf. on Remote Engineering and Virtual Instrumentation. Duesseldorf (Alemania), Virtual and remote laboratory for Robotics e-learning. Carlos A. Jara, Francisco A. Candelas, Fernando Torres. 18th European Symposium on Computer Aided Process Engineering, Lyon (Francia), Practical training of Robotics concepts using interactive tools. Carlos A. Jara, Francisco A. Candelas, Fernando Torres IFAC Int. Workshop on Intelligent Assembly and Disassembly, Alicante, Flexible virtual and remote laboratory for teaching Robotics. Francisco A. Candelas, Carlos A. Jara, Fernando Torres 4th Int. Conf. on Multimedia and Communication Technologies. Sevilla,

12 Publicaciones Ponencias en congresos nacioanles Diseño e implementación de una biblioteca gráfica 3D para Easy Java Simulations. Jara, C. A.; Esquembre, F.; Candelas, F. A.; Torres, F.; Dormido, S. VI Jornadas de Enseñanza a través de Internet/Web t/w bde la Ingeniería de Sistemas y Automática. León, Simulaciones robóticas avanzadas mediante la plataforma Ejs+EjsRL. Jara, C. A.; Candelas, F. A.; Torres, F. VI Jornadas de Enseñanza a través de Internet/Web de la Ingeniería de Sistemas y Automática. León, Modelado y simulación de sistemas robóticos complejos mediante EJS. C. A. Jara, J. A. Corrales, S. Puente, G. Lorenzo, F. A. Candelas. XXX Jornadas de Automática. Valladolid, Premio Prodel a la mejor comunicación del grupo de Educación en Automática. Laboratorios virtuales colaborativos. C. A. Jara, Fco A. Candelas, F. Torres, S. Dormido, Fco Esquembre. XXIX Jornadas de Automática. Tarragona, Laboratorios virtuales y remotos para la enseñanza de robótica industrial. C. A. Jara, F. A. Candelas, F. Torres. XXVIII Jornadas de Automática. Huelva, Herramientas interactivas para la enseñanza de robótica. Comunicación síncrona de simulaciones interactivas. C. A. Jara, Fco. A. Candelas, F. Torres, Fco. Esquembre, S. Dormido. V Jornadas de Enseñanza a través de Internet/Web de la ISA. Zaragoza, Agradecimientos Profesor Sebastián Dormido Bencomo U. Nacional de Educación a Distancia (UNED) Profesor Francisco Esquembre Martínez Universidad de Murcia 12