Unleashing Technological Collaboration: AI, 5G, and Mobile Robotics for Industry 4.0 Advancements

Abstract

[ES] La Industria 4.0 se enfrenta a importantes retos a la hora de perseguir la transformación digital y la eficiencia operativa. La creciente complejidad de los entornos industriales modernos lleva a la necesidad de desplegar tecnologías digitales y, sobre todo, la automatización de la Industria. Sin embargo, este camino hacia la innovación va acompañado de numerosos obstáculos, ya que el entorno cambia constantemente. Por lo tanto, para adaptarse a esta evolución, es necesario emplear planteamientos más flexibles. Estos planteamientos están estrechamente relacionados con el uso de la AI y RL, ya que surgen como soluciones clave para abordar los retos cruciales de la navegación cooperativa de agentes dentro de entornos dinámicos. Mientras tanto, los algoritmos RL se enfrentan a las complejidades que implica la transmisión y el procesamiento de grandes cantidades de datos, para hacer frente a este desafío, la tecnología 5G emerge como un habilitador clave para las soluciones de escenarios de problemas evolutivos. Entre las principales ventajas de la 5G están que ofrece una transmisión rápida y segura de grandes volúmenes de datos con una latencia mínima.

Al ser la única tecnología hasta ahora capaz de ofrecer estas capacidades, 5G se convierte en un componente esencial para desplegar servicios en tiempo real como la navegación cooperativa. Además, otra ventaja es que proporciona la infraestructura necesaria para intercambios de datos robustos y contribuye a la eficiencia del sistema y a la seguridad de los datos en entornos industriales dinámicos. A la vista de lo anterior, es evidente que la complejidad de los entornos industriales conduce a la necesidad de proponer sistemas basados en nuevas tecnologías como las redes AI y 5G, ya que su combinación proporciona una potente sinergia. Además, aparte de abordar los retos identificados en la navegación cooperativa, también abre la puerta a la implementación de fábricas inteligentes, dando lugar a mayores niveles de automatización, seguridad y productividad en las operaciones industriales.

Es importante destacar que la aplicación de técnicas de AI conlleva la necesidad de utilizar software de simulación para probar los algoritmos propuestos en entornos virtuales. Esto permite abordar cuestiones esenciales sobre la validez de los algoritmos, reducir los riesgos de daños en el hardware y, sobre todo, optimizar las soluciones propuestas.

Con el fin de proporcionar una solución a los retos fundamentales en la automatización de fábricas, esta Tesis se centra en la integración de la robótica móvil en la nube, especialmente en el contexto de la Industria 4.0. También abarca la investigación de las capacidades de las redes 5G, la evaluación de la viabilidad de simuladores como ROS y Gazebo, y la fusión de datos de sensores y el diseño de algoritmos de planificación de trayectorias basados en RL.

En otras palabras, esta Tesis no solo identifica y aborda los retos clave de la Industria 4.0, sino que también presenta soluciones innovadoras e hipótesis concretas para la investigación. Además, promueve la combinación de AI y 5G para desplegar servicios en tiempo real, como la navegación cooperativa. Así, aborda retos críticos y demuestra que la colaboración tecnológica redefine la eficiencia y la adaptabilidad en la industria moderna.

[CA] La Indústria 4.0 s'enfronta a importants reptes a l'hora de perseguir la transformació digital i l'eficiència operativa. La creixent complexitat dels entorns industrials moderns porta a la necessitat de desplegar tecnologies digitals i, sobretot, l'automatització de la Indústria. No obstant això, este camí cap a la innovació va acompanyat de nombrosos obstacles, ja que l'entorn canvia constantment. Per tant, per a adaptar-se a esta evolució, és necessari emprar plantejaments més flexibles. Estos plantejaments estan estretament relacionats amb l'ús de l'AI i RL, ja que sorgixen com a solucions clau per a abordar els reptes crucials de la navegació cooperativa d'agents dins d'entorns dinàmics. Mentrestant, els algorismes RL s'enfronten a les complexitats que implica la transmissió i el processament de grans quantitats de dades, per a fer front a este desafiament, la tecnologia 5G emergix com un habilitador clau per a les solucions d'escenaris de problemes evolutius. Entre els principals avantatges de la 5G estan que oferix una transmissió ràpida i segura de grans volums de dades amb una latència mínima.

A l'ésser l'única tecnologia fins ara capaç d'oferir estes capacitats, 5G es convertix en un component essencial per a desplegar servicis en temps real com la navegació cooperativa. A més, un altre avantatge és que proporciona la infraestructura necessària per a intercanvis de dades robustes i contribuïx a l'eficiència del sistema i a la seguretat de les dades en entorns industrials dinàmics. A la vista de l'anterior, és evident que la complexitat dels entorns industrials conduïx a la necessitat de proposar sistemes basats en noves tecnologies com les xarxes AI i 5G, ja que la seua combinació proporciona una potent sinergia. A més, a part d'abordar els reptes identificats en la navegació cooperativa, també obri la porta a la implementació de fabriques intel·ligents, donant lloc a majors nivells d'automatització, seguretat i productivitat en les operacions industrials.

És important destacar que l'aplicació de tècniques d'AI comporta la necessitat d'utilitzar programari de simulació per a provar els algorismes proposats en entorns virtuals. Això permet abordar qüestions essencials sobre la validesa dels algorismes, reduir els riscos de dona'ns en el maquinari i, sobretot, optimitzar les solucions proposades.

Amb la finalitat de proporcionar una solució als reptes fonamentals en l'automatització de fabriques, esta Tesi se centra en la integració de la robòtica mòbil en el núvol, especialment en el context de la Indústria 4.0. També abasta la investigació de les capacitats de les xarxes 5G, l'avaluació de la viabilitat de simuladors com ROS i Gazebo, i la fusió de dades de sensors i el disseny d'algorismes de planificació de trajectòries basats en RL.

En altres paraules, esta Tesi no sols identifica i aborda els reptes clau de la Indústria 4.0, sinó que també presenta solucions innovadores i hipòtesis concretes per a la investigació. A més, promou la combinació d'AI i 5G per a desplegar servicis en temps real, com la navegació cooperativa. Així, aborda reptes crítics i demostra que la col·laboració tecnològica redefinix l'eficiència i l'adaptabilitat en la indústria moderna.

[EN] Industry 4.0 faces significant challenges in pursuing digital transformation and operational efficiency. The increasing complexity of modern industrial environments leads to the need to deploy digital technologies and, above all, Industry automation. However, this path to innovation is accompanied by numerous obstacles, as the environment constantly changes. Therefore, to adapt to this evolution, it is necessary to employ more flexible approaches. These approaches are closely linked to the use of Artificial Intelligence (AI) and Reinforcement Learning (RL), as they emerge as pivotal solutions to address the crucial challenges of cooperative agent navigation within dynamic environments. Meanwhile, RL algorithms face the complexities involved in transmitting and processing large amounts of data. To address this challenge, Fifth Generation (5G) technology emerges as a key enabler for evolutionary problem scenario solutions. Among the main advantages of 5G is that it offers fast and secure transmission of large volumes of data with minimal latency.

As the only technology so far capable of delivering these capabilities, 5G becomes an essential component for deploying real-time services such as cooperative navigation. Furthermore, another advantage is that it provides the necessary infrastructure for robust data exchanges and contributes to system efficiency and data security in dynamic industrial environments. In view of the above, it is clear that the complexity of industrial environments leads to the need to propose systems based on new technologies such as AI and 5G networks, as their combination provides a powerful synergy. Moreover, aside from tackling the challenges identified in cooperative navigation, it also opens the door to the implementation of smart factories, leading to higher levels of automation, safety, and productivity in industrial operations.

It is important to note that the application of AI techniques entails the need to use simulation software to test the proposed algorithms in virtual environments. This makes it possible to address essential questions about the validity of the algorithms, reduce the risks of damage to the hardware, and, above all, optimize the proposed solutions.

In order to provide a solution to the fundamental challenges in factory automation, this Thesis focuses on integrating mobile robotics in the cloud, especially in the context of Industry 4.0. It also covers the investigation of the capabilities of 5G networks, the evaluation of the feasibility of simulators such as Robot Operating System (ROS) and Gazebo, and the fusion of sensor data and the design of path planning algorithms based on RL.

In other words, this Thesis not only identifies and addresses the key challenges of Industry 4.0 but also presents innovative solutions and concrete hypotheses for research. Furthermore, it promotes the combination of AI and 5G to deploy real-time services, such as cooperative navigation. Thus, it addresses critical challenges and demonstrates that technological collaboration redefines efficiency and adaptability in modern industry.