Integration of service robots in the smart home

Abstract

La interoperabilidad trata con la integración de dispositivos heterogéneos en la misma red independientemente de su arquitectura, sistema operativo, lenguaje de programación o posición en la red. El problema de la falta de interoperabilidad surge cuando hay diferentes dispositivos que cumplen con cierto sistema pero no son compatibles con otras tecnologías en el hogar digital, por lo que no es posible hacer que todos los dispositivos y tecnologías trabajen juntamente. Este problema no es nuevo, de hecho ha sido una constante durante la corta historia del hogar digital. En el mercado para el hogar digital han emergido muchas tecnologías, pero ninguna de ellas preocupadas por proporcionar mecanismos de interoperabilidad con tecnologías previas. En general, los robots y hogares inteligentes son elementos que involucran a muchas tecnologías diferentes, como la integración de sensores, fusión de datos, redes de sensores inalámbricos, construcción de mapas, sistemas informáticos embebidos, navegación, plani cación e inteligencia arti cial. Hoy en día hay muchas iniciativas y diferentes estándares disponibles cuyo objetivo es interconectar todos los dispositivos de electrónica de consumo en el hogar digital. Sin embargo, la falta de interoperabilidad entre los sistemas propuestos, la incompatibilidad entre algunos de ellos y la falta de compromiso por parte de los fabricantes para hacer que los dispositivos cumplan con tales sistemas está evitando el despegue del hogar digital en nuevos edi cios. Durante este trabajo se han analizado algunas de las iniciativas middleware más usadas para proporcionar interoperabilidad. Se describen los protocolos y sistemas existentes para comunicar plataformas heterogéneas. Las tecnologías estudiadas y detalladas en este trabajo son las siguientes: CORBA, Jini, RMI, OSGi, UPnP, DLNA, Web Services, Semantic Web Services, Military Standards, Salutation, Service Location Protocol, Ad hoc Developments, URBI, DH Compliant, ROS, OROCOS y OpenJAUS. La introducción de los robots de servicios como una nueva área que debe interoperar con el resto de dispositivos en el hogar digital potencia todavía más el problema de la falta de interoperabilidad, y se hace necesario disponer de tecnologías que abarquen distintas áreas y funcionalidades. En esta tesis la tendencia ha sido emplear un protocolo en uso y potenciar sus capacidades, así como plantear pasarelas para integrar otros dispositivos totalmente independientes al protocolo. De esta forma, se han incluido robots de servicios, se ha desarrollado un nuevo protocolo basado en el original y totalmente compatible con éste, y además para los procesos que requieren alta potencia de computación se ha propuesto resolverlo en el cloud. Durante esta tesis se han integrado algunos robots en redes UPnP y las capacidades de dicho protocolo se han potenciado como resultado de las investigaciones realizadas durante el proyecto DH Compliant. Hemos desarrollado un protocolo para interoperar de forma transparente con cada dispositivo en el hogar. Dicho protocolo, con el objetivo de mantener compatibilidad hacia atrás, usa un existente y popular estándar, y propone el uso de entidades UPnP con doble comportamiento (punto de control y dispositivo), permitiendo el intercambio de información y la cooperación entre entidades. Por el contrario, es necesario el desarrollo de lógicas más complejas. En general, las soluciones de interoperabilidad previas se han centrado en mejorar las capacidades disponibles. Esto implica que muchos sistemas no sean compatibles con el resto de sistemas disponibles en el mercado. Uno de nuestros objetivos más importantes durante este trabajo ha sido presentar un procedimiento para integrar distintos dispositivos, y robots en particular, en el hogar digital. En este trabajo ha quedado demostrado que cualquier dispositivo es susceptible de ser integrado en un hogar a través del estándar UPnP. Además, como parte de la tesis, se ha investigado acerca de como proporcionar servicios de computación existentes desde entornos cloud a robots disponibles en los hogares. Este estudio tiene el objetivo de proporcionar de forma transparente servicios con altas necesidades de computación al entorno del hogar digital. La tesis está organizada como se detalla a continuación: - Capítulo 1: En este capítulo se detalla el contexto de la tesis y sus objetivos. - Capítulo 2: Sistemas de Interoperabilidad. En este capítulo se ha abordado el problema de la falta de interoperabilidad en general, y en el hogar digital en particular. Ademas, se ha realizado una revisión de los sistemas existentes hasta al fecha desde un punto de vista de interoperabilidad, detallando una amplia lista de propuestas de interoperabilidad. Se ha prestado especial atención al sistema UPnP debido a que es la base de esta tesis. - Capítulo 3: Integración de Robots de Servicios en el Hogar Digital por medio del Protocolo UPnP. La integración de robots en el hogar digital proporciona una vida más confortable para sus habitantes. En particular, se ha propuesto una metodología para crear dispositivos UPnP para controlar los robots. Los robots estudiados en este capítulo han sido Roomba y Rovio. Ambos robots han sido descritos y la implementacion de los dispositivos UPnP desarrollados para controlarlos tambien ha sido ampliamente detallada. - Capítulo 4: Tareas Colaborativas entre Robots basado en el Protocolo DH Compliant sobre UPnP. En este capítulo se presenta un nuevo protocolo de interoperabilidad: Digital Home Compliant (DHC), que se centra en resolver el problema de la interoperabilidad entre dispositivos domóticos y roboticos. En concreto, se ha presentado el módulo DHC-Groups, que permite a un grupo de robots realizar tareas colaborativas. Además se ha desarrollado y presentado un adaptador para proporcionar las propiedades de este módulo al robot Roomba. - Capítulo 5: Cloud Robotics. En este capítulo se presentan los conceptos básicos de la computación en la nube o cloud computing y de la computación en la nube para robots o cloud robotics. Se integra al robot Rovio en un hogar digital real a través de un controlador comercial. Este controlador permite enviar, localmente y de forma directa, comandos básicos al robot Rovio, y además proporciona una interfaz UPnP para controlar este robot mediante un punto de control. Finalmente, y con el objetivo de proporcionar capacidades más avanzadas al robot, se ha desarrollado un servicio y una aplicación en la nube que reciben peticiones desde el controlador, envían comandos al robot y, como resultado de las respuestas de éste, envían ordenes de vuleta al controlador del hogar digital para que ejecute acciones en el hogar. - Capítulo 6: Conclusiones. La tesis naliza con un capítulo que analiza las contribuciones más relevantes y, adicionalmente, señala líneas futuras de investigación en el campo de la interoperabilidad en el hogar digital.