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uma proposta de arquitetura para robôs como um

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uma proposta de arquitetura para robôs como um
UMA PROPOSTA DE ARQUITETURA PARA ROBÔS
COMO UM SERVIÇO (RAAS)
Edson de A. Silva1, Adilson T. da Cruz1, Gustavo L. P. da Silva1, Vandermi J. da Silva1,
Alex S. R. Pinto2, Mario A. R. Dantas2
1
2
Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia – Universidade Federal do Amazonas
(UFAM)
Itacoatiara – AM – Brasil
Departamento de Informática e Estatística – Universidade Federal de Santa Catarina
(UFSC)
Florianópolis – SC – Brasil
{eas.inf, adilson.soft.cruz, gustavo.eng18}@gmail.com,
[email protected], {a.r.pinto, mario.dantas}@ufsc.br
Resumo. A Internet trouxe consigo uma gama de oportunidades de serviços
com inúmeras possibilidades de negócios. Juntamente com a Computação
em Nuvem (CN), o contexto de robôs como um serviço (RaaS) nasce como
oportunidade para novos nichos de mercado, podendo ser um fator de
redução de custos e serviços. Uma das vantagens na utilização da CN é
justamente a redução de custos, pois o provedor assume todo o custo com a
infraestrutura e manutenção dos equipamentos necessários ao provimento
de serviços. Para o funcionamento desse tipo de serviço é necessário que
novas arquiteturas sejam propostas para atender essa demanda de forma
satisfatória. O objetivo deste trabalho é propor uma arquitetura para o
controle remoto de um robô utilizando a internet como meio de
comunicação realizando um estudo de caso para comprovar sua efetividade.
A qualidade do serviço (QoS) de rede foi utilizada para demonstrar a
viabilidade do serviço de forma satisfatória e de forma segura. Os resultados
demonstraram que, no contexto de robôs como um serviço, a realização de
tarefas por meio de uma conexão remota pode ser viável de forma
satisfatória desde que alguns fatores sejam levados em consideração, como
a qualidade da rede.
1. Introdução
Com o advento da Internet, inúmeras possibilidades de produtos e serviços
surgiram como oportunidade de desenvolvimento tecnológico e nichos de mercado. Com
o avanço das tecnologias, novas oportunidades como o conceito de Computação em
Nuvem (CN) estão em ascensão, que segundo Yang e Huang (2012), se destina a
fornecer os recursos computacionais na aquisição via XaaS (X as a Service), onde X
pode ser qualquer coisa. Diante destes avanços, surgiu uma nova abordagem que
consiste na utilização da robótica como um serviço (RaaS – Robot as a Service). O
conceito de "robô-como-um-serviço" refere-se a robôs que podem ser combinados
dinamicamente para dar suporte à execução de aplicações específicas que segundo
(Koken, 2015) pode perfeitamente ser aplicado a policiais robôs (Wired, 2006), robôs
garçons para restaurante (Technovelgy, 2016), robôs animais de estimação (Aibo, 2016)
entre outras.
Uma das razões pela qual os robôs não são providos de inteligência está ligado
ao alto custo computacional e de armazenamento, pois isso afeta não só do ponto de
vista do preço do robô, mas também resulta na necessidade de espaço adicional e peso
extra, que restringem a sua mobilidade e habilidade (Tian, Chen e Fei, 2015). A CN pode
ser uma aliada no que diz respeito à redução destes custos, como por exemplo na
execução de cálculos que exigem maior poder computacional podendo ser deixados a
cargo da nuvem (Koken, 2015). Para obter todos os benefícios, é necessário criar novos
métodos de acessos e arquiteturas que beneficiem esse tipo de conexão no que diz
respeito a utilização de CN.
De acordo com (Yoshigae e Emil, 2011), comando remoto pode ser interpretado
como um processo de transmissão de dados que sejam capazes de induzir a alteração do
estado de um sistema em um local geograficamente distinto. Dentre as aplicações de
comando remoto está incluída o de robôs industriais, cuja importância se destaca pela
execução de trabalhos repetitivos ou cuja a execução torne-se uma ameaça à segurança
do operador.
Chase e Jorge (2010) afirmam que as funções relacionadas à mobilidade de um
robô móvel em seu ambiente são a navegação e a localização, que têm grande
importância no desenvolvimento de sistemas autônomos inteligentes. Essas duas
capacidades são essenciais para que o robô possa executar tarefas mais complexas no
ambiente em que atua. Yoshigae e Emil (2011) citam ainda que, a execução de um
projeto para o comando remoto de robôs mostra-se importante para a formação de
recursos humanos, bem como seu uso nas distintas áreas, seja na indústria, medicina,
controle e carregamento, onde estes são alguns exemplos de onde pode-se integrar robôs
para auxiliar nas tarefas realizadas pelo homem.
Diante do exposto e baseado nos trabalhos discutidos, o objetivo deste trabalho é
apresentar uma arquitetura demonstrando, por meio de um estudo de caso, o controle
remoto de um robô utilizando a Internet como meio de comunicação no contexto de
RaaS. Foram pré-definidas tarefas para que o usuário possa controlar o robô seguindo as
orientações e assim alcançar o objetivo. Para avaliação geral dos resultados foi adotado a
qualidade do serviço proposta por meio de métricas de avaliação de desempenho de rede
no trabalho de Silva e Alves Júnior, 2014.
O restante do trabalho está dividido na seguinte forma. Na seção 2 é apresentado
o conceito de Robot as a Service. Na seção 3 são demonstrados alguns trabalhos
relacionados ao tema proposto. Na seção 4 são apresentados detalhes da arquitetura
proposta. Com base na arquitetura, na seção 5 são discutidos a realização de um
experimento. Por fim a seção 6 apresenta as conclusões.
2. Robot as a Service
Desde a antiguidade a humanidade tende a criar soluções com objetivo de
diminuir a carga de serviço necessária a execução de tarefas cotidianas e repetitivas, as
quais podem trazer malefícios aos trabalhadores. A medida que se usa robôs em uma
ampla variedade de tarefas, o modelo de aplicações de robótica irão mudar de produto
para o modelo de serviço, semelhante aos serviços de utilidade pública, tais como água,
eletricidade, gás e telefonia (Du et al. 2011).
A Arquitetura Orientada a Serviço (SOA) considera um sistema de software um
conjunto de serviços de baixo acoplamento que se comunicam uns com os outros através
de interfaces padrão e através de protocolos de troca de mensagens. A CN torna possível
sair da computação baseada em desktop para o desenvolvimento baseado na Web, onde
os desenvolvedores usam uma plataforma que possibilita o desenvolvimento,
configuração de hardware / infra-estrutura (potência, capacidade de memória, largura de
banda de comunicação e processamento) e a execução da aplicação on line (Chen et al.
2010).
SOA tem sido encarado como uma abordagem adequada e eficaz para automação
industrial e de fabricação que, em última instância o usa para controlar e gerenciar as
células robóticas que são responsáveis por várias funções no processo de automação
(Borangiu, 2016; Veiga, 2007). Os benefícios da robótica em nuvem são inúmeras. Ao
aliviar as tarefas para a nuvem, seria possível construir baterias de robôs menores,
eficazes, enquanto a capacidade de memória e computação podem ser quase infinitas,
utilizando recursos da nuvem (Lorencik e Sincak, 2013).
Algumas das aplicações de RaaS citadas por (Doriya et al. 2012) são:
virtualização sobre robôs físicos; acesso a web pode ser dada para os robôs; redução do
custo de hardware robótico, pois a fabricação é mais barata, mais leve e robôs tendem a
ser "mais inteligentes"; pode ter funcionalidades como reconhecimento de objetos e de
voz por meio de serviços sob demanda; uma "base de conhecimento compartilhado"
pode ser criada para robôs e resultados e habilidades adquiridas podem ser publicadas ou
compartilhadas entre os robôs.
No entanto, quando os serviços de robôs são fornecidos através de redes de
internet, serviços confiáveis são necessários para lidar com a desconexão entre os
serviços e os robôs em redes wireless LAN, problemas de atendimento ao robô, erro de
sistema no robô, entre outros (Narita et al. 2013).
3. Trabalhos relacionados
Neste trabalho propõe-se uma arquitetura voltada ao controle de robôs para estruturar,
organizar e garantir a segurança dos dados, bem como o transporte de mensagem entre o
cliente/servidor. Para isso apresenta-se uma análise sobre algumas propostas que utilizam
o serviços de Web Service e serviços robóticos.
Kato et al. (2011), discorre sobre integração de serviços de robôs com serviços
em nuvem e sua comunicação com a Internet. Com esses recursos pode-se disponibilizar
serviços inovadores como navegação, construção de mapas, planejamento de trajetória,
localização, reconhecimento de objetos etc, combinando diferentes componentes para
finalidades heterogêneas para um mesmo cliente, já que, é determinado em Web Service.
Essas tecnologias usam o serviço de nuvem para armazenar dados, portanto pode-se
oferecer vários serviços de uma plataforma robótica. O recurso de RSi-Cloud é a
utilização de um protocolo de comunicação padrão, que é, Protocolo de Rede de
Serviços Roboticos (RSNP).
Em HU et al. (2012), os autores propõem uma arquitetura robótica em nuvem,
utilizando a combinação de robôs em nuvem formada maquina a máquina, comunicação
(M2M) entre todos os robôs conectados a nuvem. Utilizando-se o modelo de arquitetura
M2M para o armazenamento e utilização de recursos compartilhados, apoiando na
realização de tarefas e tomada de decisão bem como o compartilhamento de informações
para aplicações robóticas. HU et al. (2012), citam que o protocolo M2M incluem
roteamento que envolve a troca de mensagens periodicamente para que cada rota de um
destino possível na rede seja mantido. Este protocolo de encaminhamento Ad-hoc sofre
latência elevada por ter que estabelecer uma rota antes de uma mensagem ser enviada.
Este problema é significativo em redes moveis robóticas, e pode levar a uma degradação
grave do desempenho.
Nakagawa et al. (2012), aborda uma arquitetura de Protocolo de Rede de
Serviços Robóticos (RSNP) para integrar inúmeros dispositivos, inclusive serviços
robóticos. Neste quadro o mecanismo proposto é uma função de atribuição a robôs, que
descobre e atribui tarefas solicitadas por usuários finais aos robôs conectados a nuvem.
Pondera ainda que, não há nenhum mecanismo que implante serviços robóticos no
ambiente de nuvem como componentes de um serviço homogêneo. Nuvem Robótica é
uma plataforma que se move em função de robôs lado a lado, o que torna difícil a
implementação por partes de Engenheiros de Software inexperientes.
Narita et. al. (2013) cita que serviços robóticos baseados em nuvem vem se
tornando atrativo para muitos pesquisadores da área, muitos trabalhos já foram
realizados em função da temática. Narita et al. (2013), propõem um mecanismo de
integração Robotics Services Network Protocol (RSNP), como uma tecnologia de
mensagens confiável para serviços web. Adotando o WS-RM (WS-Realiable
Messaging), afim de integrar serviços de uma plataforma robótica com serviços de
Internet, propõem-se uma arquitetura baseada em nuvem para RSNP tendo em vista a
comunicação de um ponto. Desta forma, no lado cliente estipula-se um tempo limite para
ser atendido, em seguida a aplicação divide um arquivo em algumas partes, os envia ao
servidor usando mecanismos de mensagens confiáveis. Do lado do servidor, a aplicação
recebe o arquivo e o retorna em um único arquivo.
4. Modelo Proposto
O controlador do robô deve acessar a aplicação por meio de qualquer dispositvo
que tenha um browser e serviço de internet ativo. Porém o dispositvo cliente deve estar
na mesma VPN que o robô, e assim enviar os dados da aplicação para o servidor. Para
receber os dados da aplicação foi desenvolvida um interface Web conforme apresentado
na Figura 1.
Figure 1 – Arquitetura proposta.
As informações do dispositivo são enviadas para o servidor ao qual o robô esta
conectado, utlizando uma VPN, onde o servidor, por meio do protocolo HTTP, recebe
os dados (uma string de comandos) e as envia através do protocolo ZigBee (802.15.4)
para o robô, que os executa. Os comandos recebidos pelo robô são executados seguindo
a ordem a qual foram enviados pelo cliente da VPN. Foi necessário a utilização de um
programa em linguagem própria do Arduino para salvar os dados em um vetor de
comandos, e assim fazer com que sejam executados conforme o programa realiza a
leitura desse vetor.
5. Ambiente Experimental e Estudo de Caso
Para realização do trabalho proposto foi necessário os seguintes materiais e
métodos adotados:
1. Construção do protótipo de robô do tipo esteira;
Na construção do protótipo foi utilizado a plataforma Open Source Arduino na
versão Uno REV 3, placa XBee Shield V2, XBee Pro S2 e placa Dual Motor
Shield juntamente com a plataforma Tamya, esta última, por sua vez, fornece os
motores e base de um robô do tipo esteira. A Figura 2 apresenta o robô com
todos os componentes.
Figura 2 – Protótipo do robô.
2. Implementação de WebService para controle do robô;
O WebService foi implementado no Linux Ubuntu 14.10 Lts com o Lamp Server
para fornecer os serviços necessários a manipulação do robô a distância por meio
da aplicação desenvolvida na linguagem PHP conforme Figura 3. A aplicação
conta com as setas direcionais para movimentação do robô e botões para
obtenção de dados de sensores como luminosidade e temperatura.
Figure 3 – Aplicação para controle do robô.
3. Implementação de VPN para comunicação do usuário com o robô de forma
segura;
Com o intuito de proporcionar o acesso a aplicação para controle do robô, foi
necessário a criação de uma Rede VPN, pois desse modo garante-se a segurança
no tráfego das informações. A implementação da VPN foi por meio de um
serviço de rede virtual chamado LogMeIn Hamachi que conforme (Hamachi,
2016) é um serviço de rede virtual que pode ser configurado em minutos e
permite acesso remoto seguro à rede, em qualquer lugar que haja uma conexão à
Internet.
4. Avaliação dos resultados.
Para avaliação dos resultados a comunicação com o robô a rede foi monitorada
com a ferramenta IPERF que forneceu as informações de Largura de Banda,
Latência, Jitter e Perda de pacotes durante o teste.
5.1. Estudo de Caso
Com o intuito de validar a arquitetura proposta, utilizou-se alguns parâmetros de
rede definidos em Silva e Alves Júnior (2014), como a largura de banda, latência, perda
de pacotes e jitter. Os resultados são provenientes do controle do robô remotamente
para realização de uma tarefa previamente estabelecida que consistiu em percorrer um
labirinto, como mostra a Figura 4.
Figure 4 – Objetivo do robô.
A comunicação entre o usuário e o servidor foi realizada por meio de conexões
distintas de internet para simular uma conexão à distância. No teste foram utilizadas duas
conexões com a internet com largura de banda de 1Mbps não dedicada. Portanto durante
o teste a largura de banda média foi bem inferior ao máximo como mostra a Tabela 1.
Tabela 1. Resultados obtidos pelo IPERF
Intervalo
de Tempo
Dados
Transferidos
throughput
Largura de
Banda
Média
(TCP)
Cliente
300 seg.
10328 Kbytes
275 Kbits/sec
Servidor
300 seg.
22637 Kbytes
617 Kbits/seg
Jitter
(UDP)
16,403 ms
Datagramas
Perdidos/Tot
al (%)
(UDP)
9741/25510
(38%)
Em virtude do Jitter ser o desvio padrão do atraso de pacotes enviados em
sequência, esse dado foi computado apenas no lado do servidor por ser onde reside a
interface de comunicação com o protótipo. Da mesma forma os datagramas são
demonstrados na tabela. A arquitetura proposta considerou os controles direcionais do
robô e portanto não houve grande dificuldade na transferência, pois os pacotes de dados
transferidos são de cerca de 60 Kbytes em média.
A medida do Jitter realizada no servidor demonstrou uma variação no atraso de
entrega de 16,403 milissegundos ocasionando uma recepção não regular dos pacotes de
dados transferidos e que consequentemente culminou para o recebimento de 30
datagramas fora de ordem no teste. O tráfego de dados pode ser observado na figura 5.
Figura 5 – Tráfego de dados.
Do ponto de vista da qualidade de serviço da rede (QoS) a preocupação com a
perda de pacotes é normalmente no sentido de especificar e garantir limites razoáveis
(Taxas de Perdas) que permitam uma operação adequada da aplicação. Conforme
demonstrado, houve uma grande percentagem de perda de pacotes, que pode ser
creditado a má qualidade da conexão, o que provocou um atraso na resposta de alguns
comandos enviados ao robô.
6. Conclusões e Trabalhos Futuros
Os trabalhos realizados no contexto de robô como um serviço (RaaS)
demonstram uma tendência para evolução nas aplicações de RSSF e Robôs
proporcionando um novo paradigma no uso de recursos computacionais voltados para
esta tecnologia. Deste modo, a utilização destes conceitos pode trazer grandes benefícios
para sociedade como, por exemplo, a redução dos custos para implementação de robôs.
Outro exemplo de utilização deste tipo de arquitetura é a monitoração de áreas hostis, o
que torna o acesso ao local um risco a saúde.
Como pode ser observado nos resultados, para garantir um bom provimento de
serviços no controle do agente é necessária uma preocupação com a qualidade da rede
para obter um padrão aceitável no controle do mesmo. Além disso, a segurança das
informações e o controle do robô devem ser garantidos para que não violem dados
confidenciais e nem assumam o controle deste tipo de serviço indevidamente. De maneira
geral, o trabalho demonstrou que é possível provê esse tipo de serviço por meio de uma
conexão confiável e seguindo critérios de segurança para garantir ao cliente um serviço
aceitável.
7. Referências
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