Introducción | Arquitectura | Funcionamiento | Robolab II | RobUALab.ejs | Agradecimientos | Referencias

Introducción

Robolab (actualmente RobUAlab) es un sistema que permite a estudiantes de asignaturas de Robótica practicar comandos de posicionamiento en un robot industrial simulado, aprendiendo aspectos básicos de robótica, cinemática y diseño de trayectorias. Además, los comandos se pueden enviar a un robot real, situado en el laboratorio de Universidad de Alicante, para ver los resultados de forma on-line, a través de Internet.

Este sistema está en evolución desde 1999, y ha pasado por diferentes versiones. La primera versión de Robolab (Robolab I) ofrece una interfaz creada con Java y VRML, un software estándar de Internet para representar escenarios de realidad virtual. Posteriormente, se ha desarrollado una segunda versión (Robolab II) basada en Java y Java-3D. Las últimas vesiones utilizan el sofware Easy Java Simulations y también están basadas en Java y Java3D. La versión más reciente, iniciada en 2007 y denominada RobUALab, incluye muchas funciones nuevas con respecto a las anteriores, y forma parte del proyecto AtomatL@bs promovido por varias universidades españolas. El desarrollo de todas estas versiones ha sido coordinado por el profesor Fernando Torres Medina.

En general, los únicos medios requeridos por el estudiante para ejecutar el sistema son un ordenador personal conectado a Internet, un navegador web, el software de la máquina virtual de Java, y el software de VRML o Java-3D, dependiendo de la versión.

Un estudiante puede usar las funciones que ofrece Robolab mediante un applet Java. En la primera versión de Robolab, se ofrece también una simulación de realidad virtual basado en VRML, que representa el entorno tridimensional con el robot (un Scorbot ER-IX de Intelitek) y su espacio de trabajo, como se puede ver en la siguiente figura.

Arquitectura

La siguiente figura muestra la arquitectura general del sistema.

Con respecto al equipamiento presente en el laboratorio, destaca el robot con su equipo controlador. Estos son los dos únicos equipos que suponen una inversión considerable. El resto son equipos comerciales de fácil adquisición. Entre ellos se encuentran dos PC: el “servidor del robot” y el “servidor web”. El primero gestiona los comandos enviados al robot y obtiene la información sobre su estado actual para permitir una realimentación gráfica on-line. El servidor del robot también se encarga de validar los comandos enviados al robot con una simulación previa a la ejecución, lo que evita daños en el robot y su entorno. El servidor web ofrece los servicios de acceso desde Internet al simulador y controla el acceso de los usuarios. Además, está el “servidor de video” que da la opción de una realimentación de la tele-operación basada en un flujo de vídeo comprimido.

Funcionamiento

La interfaz que ofrece el applet Java permite al alumno especificar movimientos del robot mediante coordenadas cartesianas del área de trabajo o valores de las articulaciones de diferentes modos, así como los tiempos en los que se deben realizar los mismos en la simulación del entorno virtual. Además, el simulador calcula la cinemática directa o inversa e informa de los valores de las coordenadas al alumno mientras se realiza de la simulación. Cuando el alumno obtiene un resultado correcto de la simulación local de un movimiento en el applet, puede añadir el movimiento a la lista de comandos que aparece en la interfaz. De esta manera, el alumno puede especificar los movimientos para que el robot siga una trayectoria propuesta en los ejercicios. La lista de comandos tambien se puede simular de forma completa.

Una vez lograda una lista de comandos validados, un estudiante puede solicitar al “servidor web” una ejecución remota del robot, para lo que requiere autentificarse como un usuario válido con una contraseña. El “servidor web” controla también el acceso al robot por parte de diversos usuarios, garantizando un acceso secuencial de los mismos. Finalmente, los comandos a ejecutar son enviados al “Servidor del robot” que realiza otra simulación para comprobar que son validos antes de trasladarlos al lenguaje del controlador. Las simulaciones garantizan el buen uso del sistema real.

Para comprobar el movimiento real del robot, el simulador dispone de diferentes opciones de realimentación, entre las que destacan estas dos:

• Mediante un flujo de video comprimido que genera el “servidor de video” al mismo tiempo que el robot ejecuta la lista de movimientos, y que se transmite al ordenador del alumno para ser mostrada en una ventana on-line en el ordenador del alumno.
• Mediante una actualización de la simulación VRML con información recibida de forma on-line desde el “controlador del robot” sobre los parámetros básicos del robot real durante la ejecución de los movimientos. Con este método el estudiante observa una representación gráfica del estado real del robot, en contraste con una simulación basada en un modelo matemático.

Novedades en Robolab II

La principal diferencia de la nueva versión del sistema con respecto a la anterior, es que la representación virtual del robot se realiza mediante Java-3D. Con esto se consigue que la interfaz de usuario (cliente) esté contenida toda en un applet de forma compacta, solucionando algunos problemas de compatibilidad e instalación con determinados sistemas operativos o navegadores que presenta la versión basada en VRML. Además de una interfaz gráfica de usuario mejorada, mostrada en la siguiente figura, esta versión ofrece nuevas características, entre las que destacan las descritas a continuación.

En primer lugar, el sistema utiliza una biblioteca de clases Java para el modelado de robots a partir de Java-3D desarrollada por el grupo AUROVA, que permite modelar, simular y tele-operar cualquier brazo robot, y no sólo el modelo Scorbot como la primera versión. La biblioteca permite especificar un robot definiendo sus articulaciones y eslabones, sus características cinemáticas, y su interfaz con el controlador correspondiente. La siguiente figura muestra la interfaz ed usuario con otro robot: un PA-10 de Mitshubitshi presente en nuestro laboratorio.

La interfaz de usuario soporta diferentes dispositivos para definir los movimientos del robot: teclado, ratón o joystick comercial para juegos. En caso de disponer de un joystick para juegos con realimentación de fuerza, cuando se detectan colisiones del robot con el entorno (o con sigo mismo) en la simulación, el joystick reproduce las sensaciones de choque.

Por otra parte, el applet del cliente se comunica con el “servidor web” mediante el protocolo de alto nivel HTTP, facilitando el acceso al sistema desde redes privadas.

RobUALab.ejs

RobUALab.ejs es el nombre de la última versión del sistema. Esta versión ha sido creada utilizando la pontente herramienta Easy Java Simulations, que facilita enormemente la creación de simulaciones de sistemas basadas en Java. RobUALab.ejs hace uso también de Java-3D para la represenatción del entorno virtual.

Entre las características nuevas de esta versión destacan las siguientes: posibilidad de escoger entre diferentes tipos de interpolación para las trayectorias, modelado dinámico del robot, representación gráfica de la evolución de las coordenadas y de la dinámica, entorno 3D más realista prácticamente idéntico al entorno del robot real, visualización con realidad aumentada que combina la representación gráfica con el video del entorno real, y posibilidad de programación del robot con sintaxis Java. Además de estas nuevas características, sigue existiendo la posibilidad de operar remotamente el robot real, y obtener la realimenatción de lo que ocurre mediante una ventana de video y mediante una actualización de la represenatción gráfica similar a las versiones anteriores.

La siguiente figuran muestra el aspecto de la interfaz de RobUALab.ejs para la simulación con el entorno 3D del robot:

Durante la conexión para la teleoperación, la interfaz cliente muestra una ventana de video donde se ve lo que ocurre con el robot real, así como una represenatción gráfica con realidad aumentada, como se puede ver en la siguiente imagen:

RobUALab.ejs se incluye como un laboratorio dentro del conjunto de todos los laboratorios virtuales y remotos disponibles en el proyecto AtomatL@bs, coordinado por el Prof. Sebatián Dormido de la UNED, y en el que participan las universidades de Almería, León, Alicante, Politécnica de Valencia, Politécnica de Cataluña y Miguel Hernández. AutomatL@bs es una red de laboratorios virtuales/remotos para la enseñanza de la automática que se constituye mediante la integración de los recursos que aportan los grupos que participan en el proyecto. Proporciona un sistema de reserva de tiempos para la realización de los experimentos y un entorno de trabajo común que facilita su aprendizaje por parte del alumno. La red de laboratorios remotos en automática AutomatL@bs es algo más que la suma de las partes que la constituyen ya que debe ser percibida por sus usuarios como un laboratorio con una estructura uniforme independientemente de donde se encuentre la localización física de las plantas.

Se puede acceder a RobUALab.ejs a través del portal de AtomatL@bs o del servidor web del sistema: http://robualab.eps.ua.es.

Agradecimientos

Agradecemos al Instituto de Ciencias de la Educación (ICE), en antiguo Vicerrectorado de Estudios e Innovación Docente y el Vicerrectorado de Investigación, Desarrollo e Innovación de la Universidad de Alicante sus ayudas para la investigación en laboratorios virtuales aplicados a la docencia.

También, agradecemos la ayuda I+D de la Agencia Valenciana de Ciencia y Tecnología de la Generalitat Valenciana al proyecto “Telemanipulación de Robots a través de Internet mediante Entornos Virtuales y Realimentación Multisensorial” (CTIDIA/2002/108), y el soporte del “Ministerio de Educación y Ciencia” por la financiación de la beca FPI BES-2006-12856.

Asimismo, queremos agradecer el apoyo del Prof. Sebatián Dormido de la UNED y la colaboración del Dr. Francisco Esquembre de la University of Murcia, creador de EJS.

Finalmente, manifestamos un agradecimiento a todos los profesores, becarios y alumnos con proyectos de fin de carrera que han colaborado en el desarrollo del proyecto.

Referencias

A continuación se listan las referencias más destacables referentes a los sistemas Robolab y RobUAlab:

• "Robolab.ejs: a new tool for robotics e-learning", C.A. Jara, F.A. Candelas and F. Torres. Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV 2008). 22-23 Junio 2008, Duesseldorf, Germany. 2008.
• "Virtual and Remote Laboratory for Robotics E-Learning". Carlos A. Jara, Francisco A. Candelas, Fernando Torres. 18th European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE18). 1-4 junio 2008, Lyon, France. 2008.
• "Herramientas interactivas para la enseñanza de robótica". Carlos A. Jara, Francisco A. Candelas, Fernando Torres. Jornadas de Enseñanza a través de Internet/Web de la Ingeniería de Sistemas y Automática (EIWISA-2007). 11 septiembre 2007. Zaragoza, España, 2007.
• "Laboratorios Virtuales y Remotos para la enseñanza de Robótica Industrial". Jara, C.A., Candelas, F.A., Torres, F. XXVIII Jornadas de Automática. 5-7 septiembre 2008, Huelva, España. 2007.
• "Experiences with Virtual Environment and Remote Laboratory for Teaching and Learning Robotics at the University of Alicante". F. Torres, F. A. Candelas, S. T. Puente, J. Pomares, P. Gil, F. G. Ortiz. International Journal of Engineering Education. Special Issue on Robotics Education. ISSN. 0949-149X, Vol. 22,4. 2006.
• "Laboratorio Virtual remoto para Robótica y Evaluación de su Impacto en la Docencia". F. A. Candelas, F. Torres, P. Gil, F. Ortiz, S. T. Puente, J. Pomares. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial (RIAI). ISSN. 1697-7912, Vol. 1,2. P. 49-57. 2004.
• "A Flexible Java Class Library for Simulating and Teleoperating Robots". F. A. Candelas, F. Torres, S. Puente, J. Pomares, V. Segarra, J. Navarrete. 11th IFAC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing (INCOM04). Salvador, Brasil, Abril 2004.
• "El laboratorio virtual como herramienta en el proceso enseñanza-aprendizaje". F. Torres, F. Ortiz, F. Candelas, P. Gil, J. Pomares, S. Puente. II Jornadas de Redes de Investigación en Docencia Universitaria.Investigar Colaborativamente en Docencia Universitaria. ISBN 84-86980-06-2, Alicante (España), febrero 2004.
• "A Virtual Laboratory for Teaching Robotics". F. A. Candelas, S. T. Puente, F. Torres, F. G. Ortiz, P. Gil, J. Pomares. International Journal of Engineering Education (Tempus Publications), Especial Issue “Remote Access/Distance Learning Laboratories”. ISSN 0949-149X, vol. 19,3, pp. 363-370. Junio 2003.
• "Teaching and Learning Robotics with Internet Teleoperation". F.A. Candelas , F. Torres, F.G. Ortiz , P. Gil , J. Pomares, S.T. Puente. 2nd International Conference on Multimedia and Information & Communication Technologies in Education (m-ICTE 2003). Advances in Technology-based Education: Towards a Knowledge-based Society. ISBN 84-96212-12-2, vol. 3, pp. 1827-1831. Badajoz (España), diciembre 2003.
• "Evaluación del impacto de los laboratorios virtuales con acceso remoto en el aprendizaje de las prácticas de estudios de ingeniería". F. A. Candelas, F. Torres, P. Gil, F. G. Ortiz, S. Puente, J. Pomares. Proceedings de las XXIV Jornadas de Automática de CEA. ISBN 84-931846-7-5. León, septiembre 2003.
• "Educational Practice in Virtual Laboratories for Engineering Studie". P. Gil, J. Pomares, F. Torres, F. G Ortiz, F. A. Candelas, S. T. Puente. Educational Technology, vol. I Junta de Extremadura. ISBN: I-84-95251-77-9. Páginas: 559-563. 2002.
• "Virtual Laboratory for Robotics and Automation". F. Torres, S. Puente, F. Candelas, J. Pomares. Proceedings IFAC Workshop on Internet Based Control Education (IBCE’01). ISBN 0-08-043984-5, pp. 189-194. Madrid (España), diciembre 2001.
• "Laboratorio de Simulación y Ejecución Remota para Docencia en Robótica". S. T. Puente, F. Torres, J. Pomares, F. Ortiz, P. Gil, F. A. Candelas. Proceedings del Simposio de Ingeniería Eléctrica, 2001. ISBN 959-250-024-X, Santa Clara (Cuba), mayo 2001.
• "Robolab: Laboratorio virtual de robótica básica a través de Internet". F. Torres, S. T. Puente, J. Pomares, F. A. Candelas, F. G. Ortiz. Proceedings de las Segundas Jornadas de Trabajo sobre Enseñanza Vía Internet/Web de la Ingeniería de Sistemas y Automática (EIWISA'01). Madrid, abril 2001.
• "Remote Robot Execution through WWW Simulation". S. T. Puente, F. Torres, F. A. Candelas, F. G. Ortiz. Proceedings 15th International Conference On Patttern Recognition (ICPR00) - Applications, Robotics Systems And Architectures. ISBN 0-7695-0751-4, vol 4, pp. 503-506. Barcelona (España), septiembre 2000.