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Control de un m�dulo rob�tico mediante el uso del cloud computing y una app m�vil

 

Control de un m�dulo rob�tico mediante el uso del cloud computing y una app m�vil

 

Controle de um m�dulo rob�tico atrav�s do uso de computa��o em nuvem e um aplicativo m�vel

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Correspondencia: juan.chimarro@intsuperior.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 08 de agosto de 2023 *Aceptado: 17 de agosto de 2023 * Publicado: �28 de septiembre de 2023

 

1. Instituto Superior Tecnol�gico Nelson Torres, Ecuador.
2. Instituto Superior Tecnol�gico Nelson Torres, Ecuador.
3. Instituto Superior Tecnol�gico Nelson Torres, Ecuador.
4. Investigador Independiente, Ecuador.

Resumen

La presente investigaci�n llev� acabo el control de un m�dulo rob�tico mediante el uso del Cloud Computing y una App M�vil y se simplific� la integraci�n de aplicaciones de control remoto por medio de tecnolog�as de la Industria 4.0. Para ello, se realiz� una revisi�n de la literatura, informes y sitios web especializados en el �rea de investigaci�n, y se utiliz� las APIs y los servicios de Google Cloud Platform. Como resultado, se logr� la interacci�n directa entre el m�dulo rob�tico y la App m�vil mediante el uso de una tarjeta Wi-Fi con el est�ndar 802.11g y protocolos de telemetr�a como el MQTT, lo que permiti� tener control sobre todas las variables del robot, transmisi�n de informaci�n a la base de datos, seguridad de la informaci�n y reporte de estad�sticas sobre el uso de la aplicaci�n. La conclusi�n del proyecto involucr� la evaluaci�n del funcionamiento del control del m�dulo rob�tico, analizando informaci�n como el tr�fico tele-transmitido, los tiempos de latencia, los errores y los eventos, lo que permiti� verificar el rendimiento de la aplicaci�n.

Palabras Clave: Cloud Computing; App m�vil; M�dulo rob�tico; APIs; Google Cloud Platform.

 

Abstract

The present research carried out the control of a robotic module through the use of Cloud Computing and a Mobile App and the integration of remote control applications was simplified through Industry 4.0 technologies. To do this, a review of the literature, reports and websites specialized in the research area was carried out, and the APIs and services of Google Cloud Platform were used. As a result, direct interaction between the robotic module and the mobile App was achieved through the use of a Wi-Fi card with the 802.11g standard and telemetry protocols such as MQTT, which allowed control over all the variables of the robot, transmission of information to the database, information security and reporting of statistics on the use of the application. The conclusion of the project involved the evaluation of the control operation of the robotic module, analyzing information such as tele-transmitted traffic, latency times, errors and events, which allowed verifying the performance of the application.

Keywords: Cloud Computing; Mobile App; robotic module; APIs; Google Cloud Platform.

 

 

Resumo

A presente pesquisa realizou o controle de um m�dulo rob�tico atrav�s do uso de Cloud Computing e um aplicativo m�vel e a integra��o de aplicativos de controle remoto foi simplificada atrav�s de tecnologias da Ind�stria 4.0. Para isso, foi realizada uma revis�o de literatura, relat�rios e sites especializados na �rea de pesquisa, sendo utilizadas as APIs e servi�os do Google Cloud Platform. Como resultado, a intera��o direta entre o m�dulo rob�tico e o aplicativo m�vel foi conseguida atrav�s da utiliza��o de uma placa Wi-Fi com padr�o 802.11g e protocolos de telemetria como MQTT, que permitiram o controle de todas as vari�veis ​​do rob�, transmiss�o de informa��es para o banco de dados, seguran�a da informa��o e reporte de estat�sticas sobre o uso do aplicativo. A conclus�o do projeto envolveu a avalia��o do funcionamento do controle do m�dulo rob�tico, analisando informa��es como tr�fego teletransmitido, tempos de lat�ncia, erros e eventos, o que permitiu verificar o desempenho da aplica��o.

Palavras-chave: Computa��o em Nuvem; Aplicativo m�vel; m�dulo rob�tico; APIs; Plataforma Google Cloud.

 

Introducci�n

En muchos casos, la integraci�n de sistemas remotos en tiempo real puede resultar complicada y costosa, por lo que el uso de estas tecnolog�as puede ayudar a mejorar la eficiencia y la accesibilidad de los sistemas de control remoto. Adem�s, esto puede beneficiar a una amplia variedad de industrias donde el uso de robots y sistemas remotos es cada vez m�s com�n.

El control de un m�dulo rob�tico mediante el uso del Cloud Computing y una App M�vil, se realiza para optimizar recursos, minimizar procesos de integraci�n y cumplir con los est�ndares de calidad y servicio. Para lo cual se realiz� la revisi�n de trabajos relacionados con la presente investigaci�n.

En ese sentido, el trabajo de Guzm�n Luna et al. (2014), explora alternativas de servicios web como el SOAP (Simple Object Access Protocol) que es para el control del dispositivo mediante un servidor y el Restfull, que se resalta la simplicidad, la capacidad de transmitir datos a trav�s de protocolos HTTP, a trav�s del cual los servicios web habilitan la integraci�n de usuario-servidor-robot y el modelo de teleoperaci�n, que est� fundamentado en los criterios de escalabilidad y versatilidad del software.

En otro estudio realizado por Manzi et al. (2016),� se describe una rob�tica de nube gen�rica sistema de teleoperaci�n que permite controlar en tiempo real un robot conectado con una red 4G que tiene su transmisi�n de video como retroalimentaci�n. El sistema propuesto se basa en la nube de Plataforma Azure. Los resultados que obtuvieron mostraron que la tecnolog�a elegida permite tener actuaciones en tiempo real en t�rminos de video y comandos de velocidad de transmisi�n.

De la misma forma en el trabajo de Alhomsi et al. (2017), propone implementar un sistema de simulaci�n para m�dicos en tiempo real, el procedimiento requiri� robustez y coordinaci�n en la arquitectura de red por el cual se hizo uso del IoT (Internet of Things), el servicio Firebase como Hub y es el m�todo de comunicaci�n que permite que se mantenga en operaci�n incluso si alguna unidad en la red tiene una mala conexi�n y adem�s pueda ser f�cilmente integrado con el sistema actual y establecer condiciones de la vida real.

Se revis� el estudio de Toquica et al. (2019), presenta los desarrollos recientes de los conceptos de la Industria 4.0, como sistemas ciberf�sicos (CPS), internet de las cosas (IoT) y Cloud Computing, existe la necesidad de robustez y eficiencia en arquitecturas compatibles con cualquier proveedor de rob�tica industrial. Los enfoques actuales que generalmente se utilizan en sistemas rob�ticos basados en la nube, toma el concepto de software como servicio (SaaS) para difundir servicios en orden y teleoperar un robot, estos servicios se realiza por el usuario remoto a trav�s de una programaci�n de aplicaciones de interfaz (API) desarrollada en una programaci�n de lenguaje de c�digo abierto.

De igual manera Gavil�n (2019a) afirma que los sistemas de informaci�n son un conjunto de hardware y software que proporcionan una funcionalidad, una soluci�n, pero en el fondo, se tiende a centrar en el software porque es el elemento diferencial, lo que hace a un sistema realmente distinto de otro. La integraci�n de sistemas, si solo se tratase de relacionar dos sistemas el problema ser�a de moderadas dimensiones: se establece esa interfaz y punto. Pero cuando se habla de decenas o centenas de sistemas diferentes se genera una explosi�n combinatoria de interfaces que reclama una soluci�n m�s global.

Para contrastar la descripci�n de los sistemas integrados en tiempo real Garrell and Guilera (2018a), mencionan que, si se dispone de un dispositivo con conexi�n a internet se puede saber, desde cualquier punto del planeta donde se encuentre, en qu� horario tiene un transporte p�blico, reservar una plaza en un hotel, ver las obras maestras de un museo prestigio-so, escuchar un concierto de m�sica, leer una tesis doctoral de un cient�fico, teleoperar un dispositivo o m�quina desde la otra punta del mundo y todo eso en tiempo real, ya que la telefon�a inal�mbrica ya lleva cuatro generaciones y va por la quinta (5G).

Las aplicaciones de estos sistemas integrados en tiempo real en la actualidad mar-can tendencias en el mundo digital, y as� se plantea Garrell and Guilera (2018b) y menciona que los pilares del progreso tecnol�gico, muchos de los avances tecnol�gicos que constituyen la base de la industria 4.0, transformar�n dram�ticamente la producci�n: las celdas aisladas y poco optimizadas se convertir�n en un flujo de producci�n totalmente integrado, automatizado y llevar�n a la f�brica a una mayor eficiencia y productividad. Las interrelaciones tradicionales entre proveedores, productores y clientes experimentar�n cambios importantes, as� como las relaciones entre humanos y m�quinas.

Los sistemas rob�ticos teleoperados actualmente est�n aplicados en varias �reas tales como la industria, salud, investigaci�n y as� lo describe en Barrientos et al. (2007), plantea que las tecnolog�as de teleoperaci�n tiene una apertura a nuevos campos de aplicaci�n, como el espacial, la cirug�a, nuclear y submarino, con la ayuda de nuevos desarrollos en computadores digitales y la integraci�n de tecnolog�as propias de la rob�tica y la inteligencia artificial. Se desarrolla, adem�s, nuevos elementos que mejoran la eficiencia de la manipulaci�n, como pueden ser novedosos dise�os de dispositivos de entrada y nuevas t�cnicas de control, como puede ser el control supervisado.

Para este trabajo de investigaci�n se describi� las tecnolog�as que se utilizaron para el desarrollo de la teleoperaci�n de un brazo rob�tico, tales como el Cloud Computing, Internet de las cosas (IoT), internet industrial de las cosas (IIoT), robots industriales. Por ello Cer�n (2005) describe que el Cloud Computing (computaci�n en la nube), no es m�s que trasladar los servidores con las aplicaciones corporativas desde m�quinas aisladas en las empresas o en centros de proceso de datos corporativos a unos centros de procesos de datos ofrecidos por terceros y a los cuales se accede a trav�s de Internet, a trav�s de la nube.

Gavil�n (2019b) explica que los componentes de los Sistemas rob�ticos teleoperados se componen principalmente de una estaci�n de teleoperaci�n, un sistema de comunicaci�n y esclavo, el esclavo puede ser un manipulador o un robot m�vil equipado con un manipulador ubicado en un entorno re-moto. La estaci�n de teleoperaci�n permite controlar al esclavo a distancia por me-dio del sistema de comunicaci�n, el cual permite transmitir las se�ales de control hacia el esclavo y, a su vez, recibir se�ales de informaci�n sobre el estado de �ste en la estaci�n de teleoperaci�n a trav�s de un canal de comunicaci�n que puede ser una red de computadores, un enlace de radio frecuencia o microondas.

El crecimiento tecnol�gico en la industria 4.0 ha permitido, que gran parte de los dispositivos electr�nicos puedan conectarse a la red de Internet e intercomunicarse entre s�; y de igual manera se ha incrementado nuevos servicios en �reas de la teleoperaci�n, que forman parte de los sistemas controlados de forma remota en tiempo real. Sin embargo, este proceso requiere la utilizaci�n de diferentes plataformas, cada una de ellas con una gran cantidad de librer�as, las cuales requieren un trabajo exhaustivo y complejo para poder integrarlas. Esto causa limitantes de compatibilidad, escalabilidad y versatilidad entre el software y el hardware.

La actual investigaci�n tiene como prop�sito desarrollar un sistema teleoperado para un brazo rob�tico mediante la integraci�n de diferentes librer�as, protocolos de comunicaci�n, en conjunto con dispositivos m�viles ya que es importante abordar desaf�os exigentes de tal forma que puedan recopilar informaci�n sobre el manipulador rob�tico, verificar el rendimiento y optimizar costos de implementaci�n. Por tal raz�n es de gran inter�s la investigaci�n y el desarrollo tecnol�gico de estos sistemas actuales.

Finalmente se verific� que los sistemas rob�ticos teleoperados en tiempo real mediante la plataforma Firebase y protocolos de comunicaci�n IoT, son viables ya que se optimizan los recursos econ�micos para su desarrollo e implementaci�n, y cumple adem�s con criterios como la interacci�n con dispositivos m�viles, escalabilidad, versatilidad, baja latencia, robustez, control remoto, compatibilidad de hardware, autenticaci�n, historial del n�mero de usuarios, registro sobre la cantidad de eventos que son los mandos de teleoperaci�n que se env�a hacia la nube, la recopilaci�n datos se obtuvieron a trav�s de Google Cloud Platform.

 

Metodolog�a

En este estudio se utiliz� el enfoque cuantitativo ya que permiti� analizar las variables del control del m�dulo rob�tico, el dise�o de investigaci�n fue experimental por que se evalu� el control del sistema rob�tico�� y como m�todo se us� la observaci�n indirecta, pues se analizaron los datos recopilados por otros investigadores, esto se hizo mediante la lectura de trabajos. Es decir, esta recolecci�n se apoy� en libros, revistas, informes, grabaciones, fotograf�as, etc., relacionadas con lo que se investiga. Se toma en cuenta esta t�cnica como levantamiento de informaci�n, ya que se realiza un an�lisis de la situaci�n actual sobre el impacto tecnol�gico de la industria 4.0 y su relaci�n con el control de m�dulos rob�ticos (Valencia, 2005).

Por otra parte, en la metodolog�a de desarrollo de aplicaciones de software de Drake (2008), se ajust� de manera apropiada al objetivo de esta investigaci�n. Y se describe a continuaci�n: primeramente, se definieron las especificaciones del control del m�dulo rob�tico. Luego, se estructur� el esquema general del hardware y software que se utiliz� en el proyecto de investigaci�n. Despu�s se conform� el organigrama general del control. Se realiz� la adaptaci�n entre el hardware y el software. Se constituyeron los ordinogramas modulares y se seleccion� la plataforma en el cual se desarroll� la codificaci�n del m�dulo rob�tico para el desarrollo del software. As� tambi�n, se llev� a cabo la implementaci�n del hardware con el software, se detalla las hojas de especificaciones de los componentes y protocolos de comunicaci�n que permitieron la implementaci�n del sistema integrado en tiempo real. Finalmente, se integran todos los dispositivos con sus respectivos protocolos de comunicaci�n y los programas que se compilan, para llevar a cabo el funcionamiento general del m�dulo, y realizar las pruebas de rendimiento, latencia e integridad de la informaci�n.

 

Resultados

Esquema general del hardware y especificaciones del control del m�dulo rob�tico

Las interconexiones se realizan de tal manera que, cada una de las partes elementales del sistema como es el m�dulo rob�tico y las interfaces de control del dispositivo m�vil, se conectan al servidor en la nube implementado en Firebase, ver Figura. 1.

Figura 1. Esquema general del hardware

El organigrama general plantea la arquitectura de red para la comunicaci�n entre hardware y software, lo cual garantiza que la informaci�n se env�a y recibe de forma correcta, se detalla en la Figura. 2.

Figura 2. Ordinograma general del sistema teleoperado

Arquitectura de red para la comunicaci�n

La arquitectura de red est� conformada por el brazo rob�tico con cinco grados de libertad, controlado por un m�dulo WiFi ESP8266 necesario para al servicio Firebase el cual gestiona la informaci�n del estado del robot en tiempo real, tambi�n cuenta con una aplicaci�n m�vil compatible con el sistema operativo Android para la teleoperaci�n y manejo de la informaci�n sobre el estado del robot en tiempo real. Adicional a esto se incorpor� una c�mara WiFi para obtener una retroalimentaci�n del entorno de trabajo. Ver la Figura. 3.

Figura 3. Arquitectura de comunicaci�n entre hardware y software

Ordinogramas modulares y codificaci�n del control del m�dulo rob�tico

En esta fase cada uno de los siguientes bloques del diagrama de flujo se codifican individualmente con el software seleccionado, para asegurar que cada parte realice el trabajo en forma eficiente y segura. Se agrega la l�gica Backend a trav�s de Firebase el cual contiene varios servicios como son: Authentication, Realtime Database, Google Analytics, Cloud Functions y Google App Engine. Se implementa una aplicaci�n, una base de datos, se procesa la informaci�n y se env�a al usuario. Los datos se transmiten y almacenan en tiempo real. La sincronizaci�n es autom�tica entre las herramientas de interfaz de usuario en los dispositivos, que son los Frontend. Ver la Figura. 4.

Figura 4. L�gica de comunicaci�n Firebase Android

Fuente: Adaptado por DeRemer (2017): Hamilton App Takes the Stage,� (https://www.googblogs.com/hamilton-app-takes-the-stage/)

Las herramientas que se usan para realizar las aplicaciones de Cloud Computing en el entorno flexible de App Engine es una plataforma de aplicaciones que supervisa, actualiza y escala el entorno de hosting; donde solo se tiene que escribir el c�digo del servicio de Backend m�vil. El entorno ejecuta el servicio de Backend dentro de contenedores de Docker que se pueden configurar. Esto significa que se puede llamar a binarios nativos, escribir en el sistema de archivos y hacer otras llamadas al sistema. Se puede procesar datos del usuario u organizar eventos, ampliar Firebase con el entorno flexible de App Engine, adem�s se consigue el beneficio de poder sincronizar de forma autom�tica datos en tiempo real hacia diferentes multiplataforma como es Android, iOS y web, sin la necesidad de ejecutar el c�digo dentro de la zona de pruebas de App Engine, (Firebase, 2019) ver Figura. 5.

Figura 5. Entorno flexible App Engine

Cabe destacar que se us� el Sistema Operativo Android para instalar la aplicaci�n m�vil que realiza el control de mandos teleoperados en tiempo real y se desarroll� en la plataforma de Android Studio por su compatibilidad con la herramienta Firebase, as� tambi�n se usa el Realtime Database de Firebase porque la base de datos es alojada en la nube. Otra herramienta que se usa de Firebase es el Authentication porque permite a�adir seguridad sobre la informaci�n en la aplicaci�n al guardar los datos en la nube. Ver la Figura. 6.

Figura 6. Seguridad con Firebase

Fuente: Adaptado por Stevenson (2019): Patterns for security with Firebase: offload client work to Cloud Functions, Medium, (https://medium.com/firebase-developers/patterns-for-security-with-firebase-offload-client-work-to-cloud-functions-7c420710f07)

Para esta investigaci�n se us� el Node MCU V3 el cual se basa en el chip WiFi� ESP8266, por lo que se puede usar para aplicaciones IoT de manera muy f�cil, mediante unas dependencias y librer�as para conectarse directamente a la plataforma de Firebase y acceder a todas sus funciones, ver Figura. 7.

Figura 7. NodeMCU y Firebase

Fuente: Adaptado por Yi Lim (2017): IoT Google Cloud Functions with Firebase, SlideShare, (https://www.slideshare.net/LimYi1/iot-google-cloud-functions-with-firebase/27)

Especificaciones t�cnicas del hardware del control del m�dulo rob�tico

El m�dulo rob�tico en el que se implement� el control tiene cinco grados de libertad y brinda un movimiento r�pido y preciso, su estructura est� compuesta por hombro plano, codo, movimiento de mu�eca y una pinza de 2 grados para agarre funcional, ver figura 8.

Figura 8. M�dulo rob�tico con cinco grados de libertad

Se us� la placa WiFi Node MCU V3-ESP8266 compatible con el IDE de Arduino, que puede conectarse con relativa facilidad al ordenador. Se utiliz� un SmartPhone con S.O. Android ya que permiten la instalaci�n de programas para incrementar sus posibilidades, como el procesamiento de datos y la conectividad a internet. Finalmente se us� una c�mara WiFi para un feedback visual en la teleoperaci�n, ya que permite observar en tiempo real al brazo rob�tico de forma remota a trav�s de una aplicaci�n m�vil.

Desarrollo del software de la aplicaci�n m�vil y controlador del m�dulo rob�tico

En esta fase se desarroll�, se realizaron las pruebas de funcionamiento y se depur� tanto el programa de la aplicaci�n m�vil que transmite los mandos de teleoperaci�n como el programa del controlador del m�dulo rob�tico que recepta los mandos de teleoperaci�n hasta que el funcionamiento sea adecuado. La base de datos Realtime Database es sin duda uno de los servicios m�s populares de la plataforma Firebase, ya que cuenta con la capacidad de almacenar datos en la nube, sin necesidad de preocuparse por toda la infraestructura de servidor. No obstante, es necesario crear y configurar el nuevo proyecto y asociarlo a la nueva aplicaci�n.

Para el control de los movimientos del robot se crea un nodo y sus elementos. Se asigna la clave Teleoperaci�n y a�aden sus elementos como son: la base, codo, hombro, mu�eca pitch, mu�eca yaw, las cuales representan el valor del �ngulo en grados de cada articulaci�n, el gripper con el que se va a controlar la herramienta de trabajo del robot ser�a el abierto o cerrado, el estado del robot es encendido o apagado y finalmente se asigna un nombre. As� mismo, se inicia con el desarrollo de la interfaz de la aplicaci�n m�vil, se crea un layout para la pantalla principal, donde se mostrar� los mandos de control del m�dulo rob�tico para la teleoperaci�n.

Tambi�n se realizan las configuraciones de Firebase en la clase principal del proyecto, se crea en primer lugar una referencia a la base de datos, la cual se podr�a entender como un indicador que apunta a un lugar concreto de la base de datos. Aunque es posible definir una referencia al elemento ra�z de la base de datos, casi nunca se necesita acceder a la totalidad de los datos, sino que basta con un fragmento o secci�n concreta.

Para iniciar la aplicaci�n m�vil, se implement� un login para ingresar a los mandos de control para la teleoperaci�n a trav�s de la herramienta Firebase Authentication, de esta manera se tendr� un alto nivel de seguridad. A continuaci�n, se muestra los m�todos de acceso hacia la aplicaci�n, los cuales pueden ser: correo/contrase�a, Google o Facebook, finalmente se empieza el desarrollo de la actividad dentro de la aplicaci�n m�vil, y se agregan los elementos dentro del login para el dise�o.

Integraci�n del hardware con el software seg�n los protocolos de comunicaci�n

Para continuar se prueba la comunicaci�n entre el dispositivo m�vil y la plataforma Firebase y se realiza la transmisi�n entre el controlador del robot y la plataforma Firebase de tal forma que se pueda confirmar una correcta correspondencia entre ambos para que el sistema interact�e de manera eficiente. Para integrar la teleoperaci�n se us� los protocolos de comunicaci�n IoT, por su versatilidad en los sistemas de comunicaci�n, ya que es soporte central del IoT. Sobre los protocolos de esta arquitectura en la nube el Cloud IoT Core admite dos protocolos para la conexi�n y comunicaci�n del dispositivo: MQTT y HTTP. Los dispositivos se comunican con Cloud IoT Core a trav�s de un puente, ya sea el por el MQTT o el HTTP, ver figura 9.

Figura 9. Arquitectura del proyecto

Fuente: Adaptado por Lourme (2021): How to check the weather using GCP-Cloud IoT Core with ESP32 and Mongoose OS, Medium, (https://medium.com/free-code-camp/gcp-cloudiotcore-esp32-mongooseos-1st-5c88d8134ac7)

En la tabla 1 se detalla las caracter�sticas generales de cada protocolo como se muestra a continuaci�n:

Tabla 1. Caracter�sticas del protocolo MQTT y HTTP

Fuente: Adaptado por Google Cloud Platform (2020): Google.: IoT Protocols, Google Cloud, (https://cloud.google.com/iot/docs/concepts/protocols)

Para este proyecto se us� el protocolo MQTT de Google Cloud IoT Core como broker, ya que interact�a con dispositivos ESP8266 y el Cloud Functions de la plataforma Firebase que a su vez es compatible con aplicaciones m�viles.

Una vez que se culmin� con el desarrollo de un sistema distribuido de baja latencia, la teleoperaci�n del m�dulo rob�tico fue mediante la plataforma Firebase con el uso de dispositivos m�viles. Se realiz� las pruebas de rendimiento, latencia e integridad de la informaci�n y se obtuvo los resultados finales. El resultado del sistema fue �ptimo. Se obtuvo un historial del n�mero de usuarios, se registr� satisfactoriamente el n�mero de eventos que fueron los mandos de teleoperaci�n que se enviaron hacia Firebase. Los datos se obtuvieron a trav�s de Google Analytics y Google Cloud Platform.

Con respecto a la informaci�n sobre el uso de la base de datos en Realtime Database de Firebase se obtuvo los siguientes resultados: el n�mero de conexiones simult�neas, almacenamiento de la base de datos, carga y descarga de datos. Esta informaci�n se recopil� a trav�s de la consola de Firebase. En la tabla 2 se detalla cada par�metro del uso de la base de datos.

Tabla 2. Resultados del Realtime Database

En cuanto a la informaci�n del estado y entorno de trabajo del brazo rob�tico se us� una c�mara WiFi como retroalimentaci�n de video en tiempo real, a trav�s del servidor propio de la c�mara.

En la tabla 3 se presenta los resultados del tiempo promedio de retardo que existe entre atributos con el protocolo MQTT. Se consider�: nombre del robot, base, hombro, codo, pitch, yaw, gripper y estado del robot.

Tabla 3. Retardo que existe entre atributos con el protocolo MQTT.

Con respecto a la tarjeta ESP8266 se us� el protocolo MQTT y se analiz� el tiempo promedio de retardo que existe entre atributos. El tiempo promedio de retardo de cada atributo al momento de generar un evento teleoperado, fue un promedio de 599,557 milisegundos como retardo entre cada atributo lo cual represent� un tiempo de latencia aceptable ya que la red WiFi de casa ten�a un ancho de banda de 4Mbps, y este tiene un tiempo promedio de carga y descarga de 85 ms.

Por otra parte, el tiempo promedio de retardo del evento que se produce por cada variable del brazo rob�tico es de 3503,429 milisegundos. Sin embargo, para el sistema teleoperado tambi�n se puso a prueba con una red m�vil 4G con un ancho de banda de 10Mbps y un tiempo promedio de carga y descarga de 38 milisegundos para tener la comunicaci�n de la manera �ptima posible.

Finalmente se obtuvo los resultados de la API sobre el tr�fico tele-transmitido, el porcentaje de errores de ingreso a los controles de teleoperaci�n y los tiempos de latencia mediante el reporte general de Google Cloud Platform. Observar la tabla 4, los tiempos de latencia aproximados que se midieron en la interfaz serial de Arduino, con respecto al tr�fico de datos del Cloud Functions API con Firebase, fueron tiempos de latencia entre cada atributo de 208,896 milisegundo. El tiempo de latencia por evento de cada atributo fue de 35232,154 milisegundos. Tambi�n se present� un 20,635% de errores de ingreso con el Authentication de Firebase.

Tabla 4. Reporte de resultados de API y servicios en Google Cloud Platform

La arquitectura de Cloud Computing aport� una reducci�n de recursos y costos ya que toda la infraestructura de la teleoperaci�n se implement� a trav�s de las APIs y Services de Google Cloud Platform. Solo se necesit� tener una cuenta de Gmail, dicha plataforma actu� como broker lo que permiti� una interacci�n directa entre las herramientas de Firebase para el control de los mandos teleoperados por medio de dispositivos m�viles. Todo este proceso tambi�n permiti� conectarse de forma remota a tarjetas de control que se conectaron a la red de Internet. En este caso se us� una ESP8266 ya que, permiti� controlar las acciones de teleoperaci�n del m�dulo rob�tico a trav�s del protocolo MQTT, los cuales son muy utilizados en aplicaciones IoT. Para este sistema distribuido de baja latencia se obtuvo un menor uso de ancho de banda, baja latencia y mayor rendimiento. En cuanto a la informaci�n del estado y entorno del brazo rob�tico se us� una c�mara WiFi como retroalimentaci�n de video a trav�s de un servidor propio de la c�mara.

Tabla 5. Comparaci�n del control en m�dulos rob�ticos mediante el uso del Cloud Computing

P1 Seguridad

P2 Software libre

P3 Compatibilidad del Sistema rob�tico

P4 Conectividad

P5 Aplicaci�n de robots industriales

P6 Validaci�n real con robots

P7 La soluci�n no depende de: RSNP(1); ROS(2); MATLAB (3); Microsoft Azure (4);

Cloudminds Cross-Border (5)

La aplicaci�n m�vil que se desarroll� tuvo la capacidad de conectarse a la red de Internet lo cual permiti� enlazar los controles y mandos del brazo rob�tico desde casi cualquier punto del planeta en tiempo real. La simplicidad de la aplicaci�n permiti� una gran usabilidad, y cont� con un potente sistema de seguridad ya que permiti� autenticar a los usuarios.

Para la gesti�n del proceso de integraci�n de la teleoperaci�n como gestor se us� Firebase, ya que contiene herramientas como: Cloud Functions API, Realtime Database, Authentication. Esto permiti� tener el control de todas las variables del robot de forma remota con tiempos de baja latencia, carga y descarga de informaci�n de la base de datos, seguridad de la informaci�n y estad�sticas sobre el uso de la aplicaci�n. Adem�s, que se tuvo compatibilidad de hardware.

Se valor� el rendimiento del sistema rob�tico teleoperado a trav�s de la informaci�n estad�stica que ofrece Firebase Analytics, Google Analytics, y Google Cloud Platform. Se midi� el tr�fico tele-transmitido, tiempos de latencia, errores producidos, n�mero de eventos. Se verific� el cumplimiento de confiabilidad y versatilidad del sistema, ya que toda esta infraestructura est� Dockerizada en Google.

Como recomendaci�n se debe desarrollar una red de telecomunicaciones ya que va a depender de una WLAN y una red de movilidad 3G/4G, y se necesita que los tiempos de latencia sean estables, y tanto el operador como el sistema remoto no pierdan comunicaci�n. Actualmente se puede probar este tipo de investigaciones sobre la tecnolog�a 5G.

 

Conclusiones

La integraci�n de aplicaciones de teleoperaci�n a trav�s de tecnolog�as de la industria 4.0 como, por ejemplo, la arquitectura del Cloud Computing, las APIs, Servicios de Google Cloud Platform y los protocolos de comunicaci�n IoT (Internet of Things), demostraron, seg�n las pruebas de rendimiento e integridad de la informaci�n, un trabajo �ptimo del sistema. Adem�s, se realiz� la comparaci�n del control en m�dulos rob�ticos mediante el uso del Cloud Computing, se contrastaron los par�metros y los resultados con otras investigaciones y se obtuvo informaci�n sobre el tr�fico tele-transmitido, un historial del n�mero de usuarios, la cantidad de eventos que son los mandos de teleoperaci�n que se env�a hacia Firebase con un porcentaje m�nimo de error. Se evidenci� que la latencia depende en gran medida del tipo de tecnolog�a de conexi�n a internet (3G/4G). Los datos obtenidos a trav�s de Google Analytics, permitieron que los sistemas teleoperados sean viables mediante la utilizaci�n de plataformas que integraron los sistemas rob�ticos teleoperados con tiempos de baja latencia. Todo esto con un m�nimo gasto de recursos econ�micos para su desarrollo. Adem�s, se cumpli� con criterios como la interacci�n con dispositivos m�viles, escalabilidad, versatilidad, baja latencia, robustez, control remoto, compatibilidad de hardware para la verificaci�n del rendimiento de la aplicaci�n.

 

Referencias

Alhomsi, Y., Alsalemi, A., Disi, M., Ahmed, I., Bensaali, F., Amira, A., Alinier, G., 2017. Real-Time Communication Network Using Firebase Cloud IoT Platform for ECMO Simulation. https://doi.org/10.1109/iThings-GreenCom-CPSCom-SmartData.2017.31

Barrientos, A., Balaguer, C., Pe�in, L., Aracil, R., 2007. FUNDAMENTOS DE ROB�TICA, 2DA ed. Ingebook.

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