Robótica en la nube

La robótica en la nube es un campo de la robótica que busca aprovechar tecnologías como la computación en la nube , el almacenamiento en la nube y otras tecnologías de Internet , centrándose en los beneficios de la infraestructura convergente y los servicios compartidos para la robótica. Al conectarse a la nube, los robots pueden beneficiarse de los potentes recursos de computación, almacenamiento y comunicación de un centro de datos moderno en la nube, que puede procesar y compartir información de diversos robots o agentes (otras máquinas, objetos inteligentes, humanos, etc.). Los humanos también pueden delegar tareas a los robots de forma remota a través de redes .

Las tecnologías de computación en la nube permiten que los sistemas robóticos adquieran mayor capacidad a la vez que reducen costes. De este modo, es posible construir robots más ligeros, económicos e inteligentes con un "cerebro" inteligente en la nube. Este "cerebro" consta de un centro de datos, una base de conocimiento , planificadores de tareas, aprendizaje profundo , procesamiento de información, modelos de entorno, soporte de comunicación, etc. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

Una nube para robots potencialmente tiene al menos seis componentes significativos: ^{[ 5 ]}

• Construir un "cerebro en la nube" para robots, el objetivo principal de la robótica en la nube;
• Ofrece una biblioteca global de imágenes, mapas y datos de objetos, a menudo con propiedades geométricas y mecánicas, sistema experto , base de conocimiento (es decir, web semántica, centros de datos);
• Computación masivamente paralela bajo demanda para modelado estadístico basado en muestras y planificación de movimiento , planificación de tareas, colaboración entre múltiples robots, programación y coordinación del sistema;
• Intercambio de resultados, trayectorias y políticas de control dinámico entre robots, así como apoyo al aprendizaje robótico;
• Intercambio humano de código abierto, datos y diseños para programación, experimentación y construcción de hardware;
• Orientación y asistencia humana a demanda para la evaluación, el aprendizaje y la corrección de errores;
• Interacción aumentada entre humanos y robots a través de diversos métodos (base de conocimiento semántico, servicio similar a Siri de Apple, etc.).

robots móviles autónomos

Los coches autónomos de Google son robots en la nube. Estos vehículos utilizan la red para acceder a la enorme base de datos de mapas, satélites y modelos del entorno de Google (como Street View), y la combinan con datos en tiempo real de GPS, cámaras y sensores 3D para monitorizar su posición con precisión centimétrica, así como con patrones de tráfico pasados ​​y presentes para evitar colisiones. Cada coche aprende sobre el entorno, las carreteras, la conducción o las condiciones, y envía la información a la nube de Google, donde se utiliza para mejorar el rendimiento de otros vehículos.

Robots médicos en la nube

Una nube médica (también llamada clúster de atención médica) consta de varios servicios, como un archivo de enfermedades, registros médicos electrónicos, un sistema de gestión de la salud del paciente, servicios de práctica, servicios de análisis, soluciones clínicas, sistemas expertos, etc. Un robot puede conectarse a la nube para brindar servicios clínicos a los pacientes, así como para brindar asistencia a los médicos (por ejemplo, un robot de cirugía conjunta). Además, también proporciona un servicio de colaboración al compartir información entre médicos y cuidadores sobre el tratamiento clínico. ^{[ 6 ]}

Robots de asistencia

Un robot doméstico puede emplearse para el cuidado de la salud y el monitoreo de la vida de las personas mayores. El sistema recopila el estado de salud de los usuarios e intercambia información con un sistema experto en la nube o con médicos para facilitar la vida de las personas mayores, especialmente de aquellas con enfermedades crónicas. Por ejemplo, los robots pueden brindar apoyo para prevenir caídas y asistencia médica de emergencia en casos de enfermedades cardíacas o hematológicas. Los cuidadores de las personas mayores también pueden recibir notificaciones del robot a través de la red en caso de emergencia. ^{[ 7 ]}

Robots industriales

Como lo destaca el Plan Industria 4.0 del gobierno alemán , "La industria está en el umbral de la cuarta revolución industrial. Impulsada por Internet, los mundos real y virtual se acercan cada vez más para formar el Internet de las Cosas. La producción industrial del futuro se caracterizará por la fuerte individualización de productos en condiciones de producción altamente flexible (grandes series), la amplia integración de clientes y socios comerciales en los procesos comerciales y de valor agregado, y la vinculación de la producción y los servicios de alta calidad que conducen a los llamados productos híbridos". ^{[ 8 ]} En la fabricación, estos sistemas robóticos basados ​​en la nube podrían aprender a manejar tareas como enhebrar cables o alinear juntas a partir de una base de conocimiento profesional. Un grupo de robots puede compartir información para algunas tareas colaborativas. Incluso más, un consumidor puede hacer pedidos de productos personalizados a los robots de fabricación directamente con sistemas de pedidos en línea. ^{[ 9 ]} Otro paradigma potencial son los sistemas robóticos de entrega de compras. Una vez que se realiza un pedido, un robot de almacén envía el artículo a un automóvil autónomo o dron autónomo para entregarlo a su destinatario.

RoboEarth ^{[ 10 ]} fue financiado por el Séptimo Programa Marco de la Unión Europea para proyectos de investigación y desarrollo tecnológico, específicamente para explorar el campo de la robótica en la nube. El objetivo de RoboEarth es permitir que los sistemas robóticos se beneficien de la experiencia de otros robots, allanando el camino para rápidos avances en la cognición y el comportamiento de las máquinas y, en última instancia, para una interacción humano-máquina más sutil y sofisticada. RoboEarth ofrece una infraestructura de robótica en la nube. La base de datos de RoboEarth, de estilo World Wide Web, almacena el conocimiento generado por humanos —y robots— en un formato legible por máquina. Los datos almacenados en la base de conocimiento de RoboEarth incluyen componentes de software, mapas para navegación (p. ej., ubicaciones de objetos, modelos del mundo), conocimiento de tareas (p. ej., recetas de acciones, estrategias de manipulación) y modelos de reconocimiento de objetos (p. ej., imágenes, modelos de objetos). El motor en la nube de RoboEarth incluye soporte para robots móviles, vehículos autónomos y drones, que requieren mucha computación para la navegación. ^{[ 11 ]}

Rapyuta ^{[ 12 ]} es un marco de robótica en la nube de código abierto basado en RoboEarth Engine, desarrollado por un investigador de robótica de ETHZ. Dentro de este marco, cada robot conectado a Rapyuta puede tener un entorno informático seguro (cajas rectangulares) que les permite trasladar sus cálculos complejos a la nube. Además, los entornos informáticos están estrechamente interconectados y cuentan con una conexión de alto ancho de banda al repositorio de conocimiento de RoboEarth. ^{[ 13 ]}

FogROS2 ^{[ 14 ]} es una extensión de código abierto del Robot Operating System 2 (ROS 2) desarrollada por investigadores de la UC Berkeley. Permite a los robots descargar tareas computacionalmente intensivas, como SLAM, planificación de agarre y planificación de movimiento, a recursos en la nube, mejorando así el rendimiento y reduciendo los requisitos computacionales a bordo. FogROS2 automatiza el aprovisionamiento de instancias en la nube, el despliegue de nodos ROS 2 y la comunicación segura entre robots y servicios en la nube. La plataforma está diseñada para ser compatible con las aplicaciones ROS 2 existentes sin necesidad de modificar el código. Otros avances incluyen FogROS2-SGC, que facilita la conectividad global segura a través de diferentes redes y ubicaciones, ^{[ 15 ]} y FogROS2-FT, que introduce tolerancia a fallos mediante la replicación de servicios en múltiples proveedores de nube para garantizar la robustez frente a fallos. ^{[ 16 ]}

KnowRob ^{[ 17 ]} es un proyecto de extensión de RoboEarth. Es un sistema de procesamiento de conocimiento que combina métodos de representación y razonamiento del conocimiento con técnicas para adquirir conocimiento y para fundamentarlo en un sistema físico, y puede servir como un marco semántico común para integrar información de diferentes fuentes.

RoboBrain ^{[ 18 ]} es un sistema computacional a gran escala que aprende de recursos de Internet disponibles públicamente, simulaciones por computadora y pruebas de robots en la vida real. Acumula todo lo relacionado con la robótica en una base de conocimiento integral e interconectada. Sus aplicaciones incluyen la creación de prototipos para la investigación robótica, robots domésticos y vehículos autónomos. El objetivo es tan directo como su nombre: crear un cerebro centralizado y siempre en línea al que los robots puedan acceder. El proyecto está liderado por la Universidad de Stanford y la Universidad de Cornell. Además, cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación del Ejército, Google, Microsoft, Qualcomm, la Fundación Alfred P. Sloan y la Iniciativa Nacional de Robótica, cuyo objetivo es impulsar la robótica para contribuir a que Estados Unidos sea más competitivo en la economía mundial. ^{[ 19 ]}

MyRobots es un servicio para conectar robots y dispositivos inteligentes a Internet. ^{[ 20 ]} Puede considerarse una red social para robots y objetos inteligentes (es decir, un Facebook para robots). Al socializar, colaborar y compartir, los robots también pueden beneficiarse de estas interacciones compartiendo la información de sus sensores, lo que les permite comprender su perspectiva de su estado actual.

COALAS ^{[ 21 ]} está financiado por el programa de cooperación transfronteriza europea INTERREG IVA Francia (Canal) – Inglaterra. El proyecto tiene como objetivo desarrollar nuevas tecnologías para personas con discapacidad mediante la innovación social y tecnológica y la integridad social y psicológica de los usuarios. El objetivo es producir un sistema cognitivo de asistencia ambiental para la vida diaria con un clúster de atención médica en la nube con robots de servicio doméstico como humanoides y sillas de ruedas inteligentes que se conectan a la nube. ^{[ 7 ]}

ROS (Robot Operating System) proporciona un ecosistema para dar soporte a la robótica en la nube. ROS es un marco de trabajo flexible y distribuido para el desarrollo de software para robots. Se trata de una colección de herramientas, bibliotecas y convenciones que buscan simplificar la creación de comportamientos robóticos complejos y robustos en una amplia variedad de plataformas robóticas. Una biblioteca para ROS, implementada completamente en Java y denominada rosjava, permite desarrollar aplicaciones Android para robots. Dado el auge del mercado de Android y sus miles de millones de usuarios, su importancia en el campo de la robótica en la nube sería crucial. ^{[ 22 ]}

El proyecto DAVinci es un marco de software propuesto que busca explorar las posibilidades de paralelizar algunos algoritmos robóticos como tareas Map/Reduce en Hadoop . ^{[ 23 ]} El proyecto tiene como objetivo construir un entorno de computación en la nube capaz de proporcionar un clúster de computación construido con hardware comercial que exponga un conjunto de algoritmos robóticos como SaaS y comparta datos de forma cooperativa en todo el ecosistema robótico. ^{[ 23 ]} Esta iniciativa no está disponible públicamente. ^{[ 24 ]}

C2RO (C2RO Cloud Robotics) es una plataforma que procesa aplicaciones en tiempo real, como la prevención de colisiones y el reconocimiento de objetos, en la nube. Anteriormente, los altos tiempos de latencia impedían que estas aplicaciones se procesaran en la nube, lo que requería hardware computacional en el sistema (por ejemplo, una unidad de procesamiento gráfico o GPU). C2RO publicó un artículo revisado por pares en IEEE PIMRC17 que mostraba que su plataforma podía hacer que la navegación autónoma y otros servicios de IA estuvieran disponibles en robots, incluso aquellos con hardware computacional limitado (por ejemplo, una Raspberry Pi), desde la nube. ^{[ 25 ]} C2RO finalmente afirmó ser la primera plataforma en demostrar la localización y mapeo simultáneos (SLAM) basados ​​en la nube en RoboBusiness en septiembre de 2017.

Rocos es una plataforma centralizada de robótica en la nube que proporciona a los desarrolladores las herramientas y la infraestructura necesarias para construir, probar, desplegar, operar y automatizar flotas de robots a gran escala. Fundada en octubre de 2017, la plataforma se puso en marcha en enero de 2019.

Aunque los robots pueden beneficiarse de varias ventajas de la computación en la nube, la nube no es la solución para todos los problemas de la robótica. ^{[ 26 ]}

• El control del movimiento de un robot, que depende en gran medida de sensores ( en tiempo real ) y de la retroalimentación del controlador, puede no beneficiarse mucho de la nube.
• Las tareas que implican ejecución en tiempo real requieren procesamiento a bordo.
• Las aplicaciones basadas en la nube pueden volverse lentas o dejar de estar disponibles debido a la alta latencia de respuesta o a problemas de red. Si un robot depende demasiado de la nube, un fallo en la red podría dejarlo inoperativo.

La investigación y el desarrollo de la robótica en la nube presentan los siguientes problemas y desafíos potenciales: ^{[ 26 ]}

• Paralelización escalable : la computación en malla y los esquemas de paralelización se adaptan al tamaño de la infraestructura de automatización.
• Balanceo de carga efectivo : Equilibrar las operaciones entre la computación local y la computación en la nube.
• Bases de conocimiento y representaciones
• Aprendizaje colectivo para la automatización en la nube
• Infraestructura/Plataforma o Software como Servicio
• Internet de las cosas para la robótica
• Control tolerante a fallos integrado y colaborativo
• Big Data : Los datos recopilados y/o difundidos a través de redes amplias y accesibles pueden facilitar la toma de decisiones para problemas de clasificación o revelar patrones.
• Comunicación inalámbrica , conectividad a la nube
• Arquitecturas de sistemas de nube robótica
• Infraestructuras de código abierto y acceso abierto
• Reparto de carga de trabajo
• Normas y protocolos

• Seguridad ambiental : la concentración de recursos informáticos y usuarios en un entorno de computación en la nube también representa una concentración de amenazas a la seguridad. Debido a su tamaño e importancia, ^{[ 27 ]} los entornos en la nube suelen ser blanco de malware de máquinas virtuales y bots, ataques de fuerza bruta y otros ataques.
• Privacidad y seguridad de los datos : Alojar datos confidenciales en proveedores de servicios en la nube implica transferir una cantidad considerable del control de la organización sobre la seguridad de los datos al proveedor. Por ejemplo, cada nube contiene una gran cantidad de información de los clientes, incluidos datos personales. Si un robot doméstico es hackeado, los usuarios podrían correr el riesgo de que su privacidad y seguridad personal, como el plano de la casa, instantáneas de su vida, vistas de su hogar, etc., sean accedidas y difundidas por delincuentes. Otro problema surge cuando un robot es hackeado y controlado por otra persona, lo que podría poner al usuario en peligro.
• Problemas éticos : Es necesario considerar algunos aspectos éticos de la robótica, especialmente la robótica basada en la nube. Dado que un robot está conectado a través de redes, existe el riesgo de que otras personas accedan a él. Si un robot se descontrola y realiza actividades ilegales, ¿quién debería ser responsable?

El término «Robótica en la nube» apareció por primera vez en el léxico público como parte de una charla impartida por James Kuffner en 2010 en la Conferencia Internacional IEEE/RAS sobre Robótica Humanoide titulada «Robots habilitados para la nube». ^{[ 28 ]} Desde entonces, «Robótica en la nube» se ha convertido en un término general que abarca los conceptos de intercambio de información, inteligencia distribuida y aprendizaje de flotas, posibles gracias a los robots en red y la computación en la nube moderna. Kuffner formaba parte de Google cuando dio su presentación, y la compañía tecnológica había estado promocionando sus diversas iniciativas de robótica en la nube hasta 2019, cuando lanzó la plataforma Google Cloud Robotics para desarrolladores. ^{[ 29 ]}

Desde los inicios del desarrollo de robots, era común que los cálculos se realizaran en una computadora separada del mecanismo robótico propiamente dicho, pero conectada mediante cables para su alimentación y control. Con el desarrollo de la tecnología de comunicación inalámbrica, se crearon nuevas formas de robots experimentales con "cerebro remoto", controlados por pequeños recursos informáticos integrados para el control y la seguridad del robot, que se conectaban de forma inalámbrica a una computadora remota más potente para el procesamiento intensivo. ^{[ 30 ]}

El término " computación en la nube " se popularizó con el lanzamiento de Amazon EC2 en 2006. Marcó la disponibilidad de redes de alta capacidad, computadoras y dispositivos de almacenamiento de bajo costo, así como la adopción generalizada de la virtualización de hardware y la arquitectura orientada a servicios . ^{[ 31 ]} En una correspondencia con Popular Science en julio de 2006, Kuffner escribió que después de que un robot fue programado o aprendió con éxito a realizar una tarea, podría compartir su modelo y datos relevantes con todos los demás robots conectados a la nube: ^{[ 32 ]}

...el robot podría entonces "publicar" su modelo refinado en algún sitio web o repositorio universal de conocimiento que todos los robots futuros podrían descargar y utilizar. Mi visión es tener una "base de datos de conocimiento robótico" que, con el tiempo, mejorará las capacidades de todos los sistemas robóticos futuros. Serviría como un almacén de información y estadísticas sobre el mundo físico al que los robots podrían acceder y utilizar para mejorar su razonamiento sobre las consecuencias de posibles acciones y elaborar mejores planes de acción en términos de precisión, seguridad y robustez. También podría servir como una especie de "biblioteca de habilidades". Por ejemplo, si programara con éxito mi robot mayordomo para cocinar una tortilla perfecta, podría "subir" el software para cocinar tortillas a un servidor que todos los robots podrían descargar cuando se les pidiera que cocinaran una tortilla. Podría existir toda una comunidad de usuarios de robots subiendo programas de habilidades, de forma similar a los modelos actuales de software "shareware" y "freeware" que son populares entre los usuarios de PC.

Algunas publicaciones y eventos relacionados con la robótica en la nube (en orden cronológico):

• El Comité Técnico de Robots en Internet y en Línea de la IEEE RAS fue fundado por Ken Goldberg y Roland Siegwart et al. en mayo de 2001. El comité se expandió posteriormente al Comité Técnico de Robots en Red de la Sociedad de Robótica y Automatización de la IEEE en 2004. ^{[ 33 ]}
• James J. Kuffner, exprofesor de robótica de la CMU e investigador científico en Google, y actualmente director ejecutivo del Instituto de Investigación de Toyota para el Desarrollo Avanzado, habló sobre robótica en la nube en la Conferencia Internacional IEEE/RAS sobre Robótica Humanoide de 2010. En ella describe "un nuevo enfoque de la robótica que aprovecha Internet como recurso para la computación masivamente paralela y el intercambio de vastos recursos de datos". ^{[ 28 ]}
• Ryan Hickman, gerente de producto de Google, lideró en 2010 un esfuerzo interno de voluntarios para conectar robots con los servicios en la nube de Google. Este trabajo se amplió posteriormente para incluir soporte para ROS de código abierto y fue demostrado en el escenario por Ryan Hickman, Damon Kohler, Brian Gerkey y Ken Conley en Google I/O 2011. ^{[ 34 ]}
• La Iniciativa Nacional de Robótica de EE. UU., anunciada en 2011, busca explorar cómo los robots pueden mejorar el trabajo de los humanos en lugar de reemplazarlos. Afirma que la próxima generación de robots es más consciente que indiferente, más social que solitaria. ^{[ 35 ]}
• Taller del NRI sobre Robótica en la Nube: Desafíos y Oportunidades – Febrero de 2013. ^{[ 36 ]}
• Una hoja de ruta para la robótica en EE. UU.: De Internet a la robótica (Edición 2013) – por el Instituto Tecnológico de Georgia, el Consorcio de Tecnología Robótica de la Universidad Carnegie Mellon, la Universidad de Pensilvania, la Universidad del Sur de California, la Universidad de Stanford, la Universidad de California-Berkeley, la Universidad de Washington, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y Robotics OA US. La hoja de ruta destacó la robótica en la nube y la automatización para la fabricación en los próximos años. ^{[ 26 ]}
• Agarre robótico basado en la nube con el motor de reconocimiento de objetos de Google. ^{[ 37 ]}
• Taller IEEE IROS de Robótica en la Nube de 2013. Tokio, Japón. Noviembre de 2013. ^{[ 38 ]}
• Robótica en la nube: habilitación de la computación en la nube para robots. El autor propuso algunos paradigmas para el uso de la computación en la nube en robótica. Se definieron algunos campos potenciales y desafíos. R. Li 2014. ^{[ 4 ]}
• Número especial sobre robótica y automatización en la nube: un número especial de las Transacciones IEEE sobre ciencia e ingeniería de la automatización, abril de 2015. ^{[ 1 ]}
• La tienda de aplicaciones para robots Robot APP Store ofrece aplicaciones para robots en la nube, al igual que las aplicaciones para ordenador o teléfono. ^{[ 39 ]}
• Robótica en la nube de DARPA. ^{[ 40 ]}
• La primera plataforma de robótica industrial en la nube, Tend, fue fundada por Mark Silliman, James Gentes y Robert Kieffer en febrero de 2017. Tend permite controlar y monitorizar robots de forma remota mediante websockets y Node.js. ^{[ 41 ] [ 42 ]}
• Arquitecturas robóticas en la nube: direcciones para futuras investigaciones a partir de un análisis comparativo. ^{[ 43 ]}

• computación en la niebla
• Robótica de niebla
• Sistema multiagente
• Esquema de robótica
• Robótica de enjambre
• Robot ubicuo

• Mis robots
• La era de la robótica en la nube – Análisis del negocio de la robótica
• Robótica en la nube – IEEE Spectrum
• Robótica en la nube en RoboHub
• Computación en la nube: estado del arte y desafíos de la investigación.
• EXPO de Automatización 201XX
• Robótica en la nube con Ken Goldberg (Vídeo)
• Hackatón de Robótica en la Nube