Primer entrega

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Capitulos 1, 2, 3 y avance del capitulo 4

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Primer entrega

  1. 1. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO TELEOPERACIÓN HÁPTICA DE BRAZO ROBOT PROYECTO TERMINAL QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL P R E S E N T A N: Alvarado Juarez Diego Armando Butrón Castañeda Marco Antonio Díaz Loyo Diego González García Luis César ASESORADA POR: Ing. Israel Vazquez Cianca M. en C. Sergio Viveros Bertón MÉXICO, D.F. MAYO DEL 2008
  2. 2. Teleoperación Háptica de Brazo Robot Índice General Índice General i  Índice de Figuras iv  Índice de Tablas vi  Resumen. vii  Abstract. vii  Objetivo General. viii  Justificación. viii  1. Antecedentes 2  1.1 Teleoperación 2  1.1.1 Historia 2  1.1.2 Métodos de Control 4  1.1.3 Aplicaciones 5  1.1.3.1 Industria Nuclear 5  1.1.3.2 Industria Química 6  1.1.3.3 Industria Espacial 6  1.1.3.4 Industria Médica 7  1.1.3.5 Aplicaciones Didácticas 8  1.2 Háptica 9  1.2.1 Historia 10  1.2.2 Dispositivos Hápticos 11  1.2.3 Aplicaciones 12  1.3 Protocolos de Comunicación 14  1.4 Teleoperación Háptica 14  1.4.1 Aplicaciones 14  1.5 Objetivos Particulares y distribución del trabajo 15  2. Generalidades 19  2.1 Teleoperación 19  2.1.1 Elementos y Arquitectura 20  2.1.2 Arquitectura de Control 21  2.1.3 Dispositivos de Control y Retroalimentación 24  2.1.3.1 Dispositivos de Control 24  2.1.3.2 Características de los Dispositivos de Control 27  2.1.3.4 Dispositivos de Retroalimentación 28  2.1.3.5 Características de los dispositivos de Retroalimentación 28  i
  3. 3. Teleoperación Háptica de Brazo Robot 2.1.4 Factores Humanos 29  2.1.4.1 Características Dinámicas del Operador 30  2.1.5 Control 32  2.1.5.1 Control Unilateral 33  2.1.5.2 Control independiente y control integrado 33  2.1.5.3 Control en posición y velocidad 33  2.1.5.4 Control por reflexión de fuerzas 34  2.1.5.5 Control Bilateral 35  2.1.5.6 Control de Sistemas con Retardo Temporal 35  2.1.6 Control Bilateral en la Teleoperación 36  2.1.6.1 Esquema General de Implantación del Control Bilateral 36  2.1.6.2 Esquemas Básicos de Control Bilateral 37  2.2 Háptica 40  2.2.1 Definiciones 40  2.2.2 Representación Háptica 43  2.2.2.1 Tipos de Representación Háptica 43  2.3 Comunicación 45  2.4 Sumario 46  3. Diseño Conceptual. 49  3.1 Etapa I del Proceso de Diseño 50  3.1.1 Identificación de la Necesidad 50  3.1.2 Requerimientos 50  3.1.3 Requerimientos Deseables 51  3.1.3.1 Ponderación de los Requerimientos Deseables 51  3.1.4 Traducción a Términos Mensurables 53  3.1.5 Metas de Diseño 54  3.1.5.1 Casa de la Calidad 54  3.2 Etapa II del Proceso de Diseño 55  3.2.1 Funciones de Servicio 55  3.2.2 Generación de Conceptos 58  3.2.3 Evaluación de Conceptos 59  3.2.4 Concepto Ganador 60  3.3 Sumario 62  4. Diseño a detalle. 64  4.1 Diseño Mecánico del Dispositivo Esclavo 65  4.1.1 Modelo Cinemático Directo (MCD) 65  ii
  4. 4. Teleoperación Háptica de Brazo Robot 4.1.2 Volumen de Trabajo 69  4.1.3 Determinación de las Velocidades del Manipulador 71  4.1.4 Diseño de la Muñeca 72  4.1.5 Diseño del Antebrazo 72  4.1.6 Diseño del Brazo 76  4.1.7 Diseño del Torso 76  4.1.8 Modelo Dinámico Directo 76  4.1.8.1 Formulación de Lagrange 76  4.1.8.2 Formulación de Lagrange-Euler 79  Referencias 82  Apéndices 86  Apéndice A.-Algoritmo para la resolución de los 4 parámetros de Denavit-Hartenberg para la resolución del problema cinemático directo 86  Apéndice B.- Programa para el MCD 87  Apéndice C.-Programa para Formulación de Lagrange 90  Apéndice D.-Programa para Formulación Lagrange-Euler 93  iii
  5. 5. Teleoperación Háptica de Brazo Robot Índice de Figuras Figura 1.1 Primer Telemanipulador Maestro- Esclavo Mecánico (Nuño 2004) 3  Figura 1.2 Elementos básicos de un sistema de teleoperación (Nuño 2004) 4  Figura 1.3 Robot NEATER 660 (PROTON, 2010) 5  Figura 1.4 RC1e (Mettler Toledo, 2010) 6  Figura 1.5 Lunokhod 1 (Department of Lunar and Plannetary Research, 2010) 7  Figura 1.6 Sistema Quirúrgico Da Vinci (Intuitive Surgical, 2010) 8  Figura 1.7 Somatoreceptores (Ledesma, 2008) 10  Figura 1.8 Ramas de la háptica 11  Figura 1.9 Dual Shock 3 (SONY, 2010) 13  Figura 1.10 Wiimote (Nintendo, 2010) 13  Figura 1.11 DMREI (Sanabria, 2007) 13  Figura 1.12 Robonauts utilizando herramientas (NASA, 2010). 15  Figura 2.1 Elementos básicos de un sistema de teleoperación (Barrientos, 2007) 21  Figura 2.2 Niveles de modo de control remoto (Barrientos, 2007). 22  Figura 2.3 Arquitectura genérica de un sistema de teleoperación (Barrientos, 2007) 23  Figura A) Space Mouse 25  Figura B) Ejemplo dispositivo paralelo 25  Figura C) PERForce 25  Figura 2.4 Diversos Dispositivos Hápticos (Barrientos, 2007) 25  Figura 2.5 The Omni® (Barrientos, 2007) 26  Figura 2.6 Guante sensorizado (Del Olmo, ca. 2009) 26  Figura 2.7 El operador como controlador del sistema de teleoperación (Barrientos, 2007) 30  Figura 2.8 Esquema general de control unilateral integrado (Barrientos, 2007) 33  Figura 2.9 Esquema general de control bilateral (Barrientos, 2010) 37  Figura 2.10 Esquema de control bilateral posición-posición (Barrientos, 2007) 38  Figura 2.11 Esquema de control bilateral fuerza-posición (Barrientos, 2007) 39  Figura 2.12 Esquema de control bilateral servo fuerza-posición (Barrientos, 2007) 39  Figura 3.1 Etapas de la Metodología de Diseño 49  Figura 3.2 Metodología del Q.F.D. 50  Figura 3.3 Mapa de Funciones, A 56  Figura 3.4 Mapa de Funciones, B 57  Figura 3.5 Dispositivo Maestro 61  Figura 3.6 Dispositivo Maestro 61  Figura 4.1 Robot articulado de 4GDL 65  iv
  6. 6. Teleoperación Háptica de Brazo Robot Figura 4.3 Medidas Generales 69  Figura 4.2 Puntos Máximos 69  Figura 4.4 Vista superior del área de trabajo 70  Figura 4.5 Vista lateral del área de trabajo 70  Figura 4.6 Zona Muerta 70  Figura 4.7 Trayectoria del torso, vista superior 71  Figura 4.8 Trayectoria del brazo, vista lateral 72  Figura 4.9 Trayectoria del antebrazo, vista lateral 72  Figura 4.10 Dimensiones del perfil 6 30x30. (ITEM, 2007) 73  Figura 4.11 Características del perfil 6 30x30 73  Figura 4.12 Antebrazo, representación como viga empotrada en voladizo 74  Figura 4.13 Diagrama de esfuerzos cortantes, antebrazo 74  Figura 4.14 Diagrama de momentos flectores, antebrazo 75  Figura 4.15 Sección transversal perfil 6 30x30 75  Figura 4.16 Representación de la deflexión, antebrazo 76  v
  7. 7. Teleoperación Háptica de Brazo Robot Índice de Tablas Tabla 2-1 Características de los mecano-receptores cutáneos ........................................................... 31  Tabla 2-2 Características necesarias de un sistema teleoperado derivadas de las características senso- motrices de los seres humanos (Barrientos, 2007) ............................................................................. 32  Tabla 3-1 Requerimientos .................................................................................................................. 51  Tabla 3-2 Requerimientos Obligatorios y Deseables ......................................................................... 52  Tabla 3-3 Ponderación de los Requerimientos Deseables ................................................................. 52  Tabla 3-4 Importancia de los Requerimientos Deseables .................................................................. 52  Tabla 3-5 Términos Mensurables de Ingeniería ................................................................................. 53  Tabla 3-6 Casa de la Calidad I: Obligatorios ..................................................................................... 54  Tabla 3-7 Casa de la Calidad II: Deseables........................................................................................ 55  Tabla 3-8 Conceptos........................................................................................................................... 58  Tabla 3-9 Aplicación de filtros........................................................................................................... 60  Tabla 4-1 Proceso del Diseño de Robot ............................................................................................. 64  Tabla 4-2 Parámetros de DH para un robot articulado de 4GDL....................................................... 66  Tabla 4-3 Recomendaciones para esfuerzo de diseño-esfuerzos normales directos [Mott 1996] ..... 75  vi
  8. 8. Teleoperación Háptica de Brazo Robot Resumen. Este trabajo presenta el desarrollo del diseño conceptual y diseño a detalle de un dispositivo que permite la teleoperación de un brazo articulado con retroalimentación háptica. El objetivo de este prototipo es implementar el control bilateral a un sistema robótico del tipo maestro-esclavo. Con este control se tiene una retroalimentación por parte del dispositivo remoto, la cual nos da la oportunidad de experimentar de manera perceptiva la manipulación a distancia. Al sumar el sensado de fuerzas y su respectivo tratamiento, se logra obtener una mayor sensación de presencia en el ambiente remoto, desde la ubicación local. El proyecto parte de la problemática de diseñar un sistema que combine las virtudes de las tecnologías de la teleoperación y la háptica, ya que es difícil encontrar dispositivos o proyectos que conjuguen estas áreas de la robótica. Para la elaboración de este diseño se siguió la metodología QFD (Quality Functional Deployment), con la cual se establecen los requerimientos para el sistema que solucionará la problemática dada. Con esto se propone una serie de conceptos que los satisfagan. Una vez que se cuenta con los conceptos se aplican ciertos filtros, como la disponibilidad tecnológica o la factibilidad de los mismos en el proyecto, para poder establecer el diseño que represente la solución óptima al problema planteado en un principio Abstract. This paper presents the development of the conceptual and detail design of a device that allows the teleoperation of a robotic arm with haptic feedback. The prototype objective is to implement the bilateral control to a master-slave robotic system, because with this type of control, a feedback from the remote device is obtained, which gives us the opportunity to experiment in a more perceptive way the telemanipulation. By adding to this feedback the force sensors and its respective treatment, a greater feeling of presence in the remote site is obtained at the local environment. The Project starts at the problematic of designing a system that combines the virtues of the teleoperation and the haptic technologies, because it is really difficult to find devices or projects that associates these robotic areas. For the elaboration of this design, it was used the QFD (Quality Functional Deployment) methodology, with which is established the requirements for the system that are going to solve the vii
  9. 9. Teleoperación Háptica de Brazo Robot given problematic, and with this, a series of concepts that satisfy such requirements can be proposed. Once it is counted with the concepts, some filters, like technologic availability or feasibility, must be applied in order to establish the design that represents the optimal solution to the initial problem. Objetivo General. Diseñar una herramienta para realizar pruebas de manipulación a distancia con la capacidad de retroalimentación de fuerzas. Justificación. A lo largo de la historia el hombre ha tenido que implementar herramientas cada vez más complejas para aumentar su capacidad de manipulación a distancia. El implemento de ciertos tipos de herramientas como las pinzas de los herreros, ha sido cada vez más frecuente para lograr la sujeción, tratamiento, manipulación, etc. de piezas o componentes para desempeñar tareas peligrosas o dificultosas para el ser humano. La utilización de estas herramientas desembocó finalmente en dispositivos o sistemas de teleoperación maestro-esclavo, en los que el manipulador denominado esclavo reproduce los movimientos del dispositivo llamado maestro que a su vez es controlado por un operador humano. Posteriormente con el auge e implementación de los sistemas teleoperados en tareas que requieren de la habilidad y procesamiento humano para su realización, se identifico como faltante una retroalimentación del ambiente remoto para darle un mayor grado de realismo al ambiente de control utilizando tecnologías como son: sensores de video, fuerza, audio, temperatura, etc., brindándole de esta manera al operador la mayor información posible respecto de la tarea que desempeñará. El proyecto parte de la problemática de diseñar un sistema que combine las virtudes de las tecnologías de teleoperación y háptica, ya que es difícil encontrar dispositivos o proyectos que conjuguen estas áreas de la robótica, por lo que se plantea el desarrollo de un sistema que emule las fuerzas de oposición que se presenten en un ambiente real o virtual que se encuentre fuera del alcance. viii
  10. 10. ANTECEDENTES En este capítulo se desarrolla lo que se conoce como el estado del arte, es decir, los antecedentes que se tienen acerca de la temática del proyecto a desarrollar. Que es lo que existe ahora y las investigaciones que se han llevado a cabo hasta el momento. 1
  11. 11. Antecedentes 1. Antecedentes Desde hace tiempo, con el desarrollo de la tecnología, el hombre ha tratado de entender su propio funcionamiento para así, poder reproducirlo, como bien menciona Lederman (2008), “Si no se entienden las capacidades y limitaciones de los humanos, no se pueden diseñar sistemas que les permitan operar efectivamente en ambientes remotos, virtuales o reales”, esto, haciendo referencia a la teleoperación y a la tecnología háptica. A continuación se aborda lo que se conoce como el estado del arte de la teleoperación, la háptica, la telecomunicación, y la unión entre éstas. 1.1 Teleoperación Desde tiempos antiguos, el hombre ha utilizado herramientas para poder aumentar el alcance de su capacidad de manipulación. En un principio, no se trataba más que de palos utilizados para poder tirar el fruto maduro de un árbol, actualmente existen dispositivos más complejos que siguen facilitando la vida del hombre. 1.1.1 Historia La teleoperación según Nuño (2004) es el conjunto de tecnologías enfocadas a la operación o gobierno a distancia de un dispositivo por un ser humano. En 1947 comenzaron las primeras investigaciones, lideradas por Raymond Goertz del Argonne National Laboratory en Estados Unidos, encaminadas al desarrollo de algún tipo de manipulador de fácil manejo a distancia mediante el uso por parte del operador de otro manipulador equivalente. El primer logro se obtuvo en 1948 con el desarrollo del primer manipulador teleoperado mecánico, denominado M1, antecesor de toda la familia de sistemas maestro-esclavo de telemanipulación existentes actualmente. En la figura 1.1 podemos observar una fotografía correspondiente a Raymond Goertz manipulando químicos a través de un cristal de protección, hecha en 1948 en el Laboratorio Nacional de Argonne. 2
  12. 12. Antecedentes Figura 1.1 Primer Telemanipulador Maestro- Esclavo Mecánico (Nuño 2004) Conforme a lo que dice Bejcsy (1999) el acto de teleoperar extiende la capacidad manipuladora del brazo y la mano humana a ambientes remotos, físicamente hostiles o peligrosos. Así, después de años de investigaciones, se desemboca en lo que actualmente se conoce como Teleoperación Maestro-Esclavo, en donde un manipulador denominado esclavo reproduce fielmente los movimientos de un dispositivo o manipulador maestro, controlado a su vez manualmente por un operador humano. Se puede decir que es entonces cuando la Teleoperación cobra importancia como tecnología. Desde que surgen estos sistemas de Teleoperación hasta nuestros días podemos darnos cuenta que ha existido un gran avance, cada vez el área de acción de la teleoperación es más grande y va adquiriendo mayor importancia, las aplicaciones en la actualidad pueden ir desde la diversión y el entretenimiento hasta el rescate de personas en peligro. Un sistema teleoperado consta de cinco elementos como podemos observar en la figura 1.2. Basándose en Nuño (2004) se describen estos elementos a continuación: • Teleoperador.- Es la persona que realiza el control de la operación a distancia, su acción puede ir desde un control continuo hasta intervenciones intermitentes. • Dispositivo teleoperado.- Es la máquina que trabaja en la zona remota y es controlada por el operador. • Interfaz.- Se refiere al conjunto de dispositivos que permiten la interacción entre el operador y el sistema de teleoperación. 3
  13. 13. Antecedentes • Sensores.-Es el conjunto de dispositivos que recogen información, estos se pueden localizar tanto en la zona remota como la local. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..1 Elementos básicos de un sistema de teleoperación (Nuño 2004) En los años sesentas y setentas la teleoperación alcanzó un nuevo nivel con su utilización en el espacio. El estudio de esta tecnología para tales aplicaciones según la NASA (1997) empezó en 1961 cuando la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio de Estados Unidos de América, NASA por sus siglas en inglés, le financió un estudio al Massachusetts Institute of Tecnology (MIT) para conocer los efectos del tiempo de retardo en la manipulación remota, lo que dirigiría para 1968 al primer programa de investigación de teleoperación patrocinado por la Oficina de Investigación de Aeronáutica y Tecnología de dicho país. 1.1.2 Métodos de Control La intervención del operador puede producirse en muchas formas diferentes, desde la teleoperación directa de los actuadores, hasta solamente la especificación de movimientos, o tareas que se realizan de manera automática en el entorno remoto dejando un poco de lado la ya mencionada idea de Bejcsy, ajustándose más con las ideas de Nuño (2004). Los métodos de control se clasifican en dos grandes ramas y son: • Control Unilateral.- Este tipo de control es utilizado para aquellas actividades en las que no es indispensable tener realimentación por parte del dispositivo remoto. En estas solo se envían señales del maestro al esclavo. • Control Bilateral.- Es fundamental para la mayoría de las aplicaciones en teleoperación, pues con éste se tiene una realimentación por parte del dispositivo remoto, dándonos así la 4
  14. 14. Antecedentes oportunidad de experimentar de manera más efectiva mediante la manipulación del maestro en un ambiente remoto. Se le llama bilateral debido a que este cuenta con comunicación en dos vías (Maestro-Esclavo y Esclavo-Maestro). Los sistemas de telecomunicaciones entre los dispositivos que utilizan directamente el operador y el sistema de control local del robot son de vital importancia, ya que es uno de los principales problemas que podemos encontrar en muchos de los dispositivos teleoperados hoy en día. Ha habido, una evolución en los sistemas de comunicación, pasando de los sistemas mecánicos a los eléctricos, fibra óptica, radio e Internet, medio que suprime prácticamente las limitaciones de distancia, sin embargo nos puede limitar seriamente en cuanto a los tiempos de respuesta entre los dispositivos utilizados. 1.1.3 Aplicaciones Las líneas de aplicación, después de muchos años de investigación, son bastante amplias, algunos ejemplos de las más importantes se explican a continuación: 1.1.3.1 Industria Nuclear Esta industria fue la primera en utilizar este tipo de tecnología debido a la necesidad de proteger al operador de los riesgos implícitos en el manejo de las sustancias nocivas utilizadas en este medio. Los robots NEATER (Nuclear Engineered Advanced TEle Robot) 760 o NEATER 660, que podemos observar en la figura 1.3, son un ejemplo de robots que se aplican en esta industria, en especial para el manejo de sustancias radiactivas. 5
  15. 15. Antecedentes Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..2 Robot NEATER 660 (PROTON, 2010) Estos son de suma importancia debido a que disminuyen el riesgo en el personal que labora con este tipo de sustancias, así como el tiempo en el que se realizan las operaciones requeridas, debido a que el operador, que ya no tiene la necesidad de estar físicamente en el lugar, no se tiene que preparar de una manera especializada (lo que puede ir desde el uso de trajes especiales hasta pasar por varias cámaras de protección). 1.1.3.2 Industria Química En esta industria, al igual que en la nuclear, el uso de sustancias que son nocivas al humano, exige el uso de la teleoperación. Sin embargo en esta industria también es de suma importancia la obtención de datos de manera precisa, que por los errores que se originan con el operador es algo difícil de conseguir. El RTCal junto con el RC1e de Mettler Toledo se utilizan para realizar ajustes en procesos químicos de riesgo considerable además de que con este se pueden obtener datos de manera precisa. En la figura 1.4 podemos observar parte de este sistema. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..3 RC1e (Mettler Toledo, 2010) 6
  16. 16. Antecedentes 1.1.3.3 Industria Espacial Esta industria simplemente no se podría concebir sin la teleoperación. Esto debido en parte importante a que no podemos sobrevivir en el espacio sin el uso de trajes especiales, así como las grandes distancias que nos impiden realizar viajes constantes, y los riesgos inminentes de encontrarnos en ambientes inhóspitos y completamente desconocidos. Los exploradores lunares Lunokhod 1 y 2 son dos robots móviles enviados por la unión soviética en los años setenta, los cuales fueron teleoperados por 5 personas desde la URSS. En la figura 1.5 podemos observar una foto del Lunokhod 1. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..4 Lunokhod 1 (Department of Lunar and Plannetary Research, 2010) 1.1.3.4 Industria Médica Existen ciertos ámbitos en los que las habilidades de un experto son necesarias para la correcta ejecución de una tarea, y no obstante pueden y deben de ser mejoradas. Hoy en día gracias a esta tecnología en la industria medica los expertos pueden realizar procedimientos quirúrgicos sin importar la distancia y mejorando de manera sustancial su desempeño mediante el adecuado control de los dispositivos manejados. El “Da Vinci”, desarrollado por Intuitive Surgical, es un ejemplo de lo que se ha logrado en el área médica gracias a esta tecnología, dándonos la posibilidad de que los mejores doctores puedan realizar intervenciones sin la necesidad de que el paciente realice un viaje hasta la ubicación del 7
  17. 17. Antecedentes médico o viceversa. En la figura 1.6 podemos visualizar a los dispositivos maestro y esclavo del Da Vinci. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..5 Sistema Quirúrgico Da Vinci (Intuitive Surgical, 2010) 1.1.3.5 Aplicaciones Didácticas Existen un gran número de laboratorios teleoperados hoy en día y continúan en aumento. Algunas de las mejores universidades en materia tecnológica cuentan con este tipo de laboratorios para que sus estudiantes puedan realizar prácticas desde cualquier parte del mundo, intentando mejorar su experiencia educativa. Este tipo de laboratorios proveen al estudiante de mayor tiempo para interactuar con los equipos. Y como se preguntan en “The University of Western Australia” (2004), ¿cuánto tiempo supervisado con el equipo real y en el laboratorio real puede ser sustituido con el acceso remoto sin supervisión? A continuación se mencionan algunos ejemplos de este tipo de laboratorios y las universidades en las que se encuentran. • El MIT (Massachusetts Institute of Technology) cuenta con el iLab, el cual pretende enriquecer la educación científica e ingenieril mediante la expansión del rango de experimentos al que los estudiantes se encuentran expuestos durante el curso de su educación (MIT, 2010). • The Western University of Australia desarrollo el “Telelabs Project” en un periodo de tres años con una inversión de $250 000.00 AUD, que equivale a poco menos de tres millones de pesos, logrando así reducir presupuestos manejados en otras universidades, como el MIT, cercanos a los $3 8
  18. 18. Antecedentes 000 000.00 USD, lo que hoy en día equivaldría aproximadamente a $38 000 000.00 MXN (WUA, 2010). • La Universidad Federal de Santa Catarina cuenta con el RExLab (Remote Experiment Lab), el cual representa una posibilidad de expandir la forma en la que las personas utilizan Internet permitiendo interacciones con el mundo físico. Este laboratorio les da a los estudiantes acceso a recursos que no poseen, permitiendo conducir experimentos en cualquier localidad y momento (UFSC, 2010). En paralelo con la evolución histórica de las técnicas de teleoperación ha habido una evolución tecnológica motivada por los desarrollos de control, la informática y la robótica. Los sistemas de telecomunicaciones, los robots utilizados, los dispositivos hápticos y la realidad virtual hacen un notable avance en las aplicaciones en cuanto a teleoperación se refiere. 1.2 Háptica Actualmente la palabra Háptica no tiene una definición directa. Sin embargo se puede generar un entendimiento de la misma a partir de su raíz, la cual se deriva del griego “Hapthai”, y hace referencia al sentido del tacto (Barrientos, 2007). El sentido del tacto es el primero que se forma en los seres humanos durante la gestación, y debido a esto es el más desarrollado, y aunque no nos damos cuenta, es del que más dependemos en nuestra vida diaria. Según Braun (1997), el sentido del tacto comprende la percepción de estímulos mecánicos que incluyen contacto, presión y golpeo. Además de ser sensibles a estos incentivos, las terminales nerviosas de la piel también responden a estímulos de calor, frío o dolor. En otras palabras, es la sensación evocada por la piel cuando se somete a estímulos mecánicos, eléctricos, térmicos o químicos. Los somato-receptores, que podemos observar en la figura 1.7 son necesarios para poder detectar estos estímulos y existen 4 tipos: • Termo-receptores.- Son los encargados de identificar los cambios de temperatura, y así traducirse en señales regulatorias cuando se requiere un ajuste. • Propioceptores.- Son aquellos que se encargan de enterarnos de la posición del cuerpo, y nos permiten conocer la posición de los órganos con los ojos cerrados. 9
  19. 19. Antecedentes • Mecano-receptores.- Terminaciones nerviosas libres que poseen un bajo umbral de estimulación y una rápida adaptación. • Nocio-receptores.- Se activan mediante una estimulación mecánica fuerte o temperaturas extremas, las cuales pueden producir daño. Al activarse producen la sensación de dolor. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..6 Somatoreceptores (Ledesma, 2008) 1.2.1 Historia En tecnología; háptica se refiere a la ciencia que estudia las aplicaciones de interacción entre las personas en ambientes virtuales y tele-operados. Generando una interfaz háptica se permite al usuario manipular objetos que virtualmente están presentes, pero realmente no existen o se encuentran en otro lugar. La investigación de la háptica según Kutchenbecker (2004) busca recrear el complejo sentido del tacto para los usuarios de realidad virtual y telerrobótica. Ésta inicia en los años 90´s como resultado de problemáticas y estudios que se llevaron a cabo en áreas como la robótica, la teleoperación, realidad virtual y psicología experimental, incrementando el número de investigadores en universidades y centros de investigación. Las investigaciones referentes a la háptica se pueden clasificar en tres ramas, las cuales se visualizan en la figura 1.8 y se describen a continuación: • Háptica humana.-Se refiere al estudio de los componentes que posee una persona para sentir y manipular su entorno por medio del tacto. • Háptica de máquinas.-El campo que estudia y produce dispositivos de hardware que permiten a la gente interactuar con las computadoras. 10
  20. 20. Antecedentes • Háptica de computadoras.-Se refiere al campo que estudia los algoritmos de interpretación háptica para crear los efectos deseados con una interfaz háptica. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..7 Ramas de la háptica Como resultado fueron desarrollados una gran variedad de dispositivos con el objetivo de probar algunas teorías en relación con la percepción táctil humana para poder continuar con el desarrollo de esta tecnología. 1.2.2 Dispositivos Hápticos Como dispositivos hápticos suelen ser considerados aquellos periféricos que permiten al usuario tocar, palpar y reconocer objetos virtuales, que de verdad no se encuentran físicamente ahí. (Kim, 2004). Vázquez (2004) dice que los dispositivos hápticos le permiten al usuario interactuar con un mundo virtual y sentir los torques y las fuerzas de reacción que surgen cuando el objeto toca otros elementos dentro del ambiente virtual. A esta interacción se le conoce como representación háptica. 11
  21. 21. Antecedentes A lo largo de las últimas dos décadas se han hecho grandes esfuerzos en investigaciones y desarrollos hápticos, y aunque aún muchas personas no saben que es o a que se refiere ya empieza a estar presente en sus vidas. 1.2.3 Aplicaciones Actualmente, la tecnología háptica, es bien recibida por ciertos campos de la sociedad, ampliando así su rango de aplicación, por ejemplo: • Tipo didáctico.- Desde representaciones de fuerzas electromagnéticas y mecánicas estudiadas en física, hasta la fuerza de interacción molecular en clases de química. • Medicina.- Permite a los doctores examinar a los pacientes para obtener mejores diagnósticos y hacer cirugías, incluso si no están en el mismo lugar. • Ingeniería.- Muchos productos podrían ser mejorados incluso antes de fabricarlos, debido a que se puede tener una referencia de las fuerzas y fricciones entre los diferentes componentes, y así verificar la efectividad del proceso. • Simuladores.- Los simuladores son frecuentemente usados para entrenar personas en entornos virtuales, ya que en condiciones reales podría ser demasiado costoso o peligroso. Mientras las sensaciones que provean esos simuladores sean más realistas, la persona tendrá un rango de errores menor cuando se enfrente a la realidad. Cabe mencionar que cualquier dispositivo que haga de interfaz ante las circunstancias antes mencionadas puede ser considerado como un dispositivo háptico por muy sencillo que sea. Actualmente la tecnología háptica vive con nosotros y tal vez de manera inconsciente. Un claro ejemplo es el control de mando de una consola de video juegos, desde los que se introdujeron con el PlayStation de Sony que contaban con vibrador hasta los de última generación como el Dual Shock 3 (SixAxis) para el PlayStation 3 (Figura 1.9) de Sony o el Wiimote (Figura 1.10) para la consola Wii de Nintendo, en los que el usuario al experimentar algún tipo de fuerza en el video juego, percibe una vibración en el mando. Hoy en día, se involucra aún más al usuario al pedirle retroalimentación, pues dependiendo de la fuerza con que se opriman los botones o la velocidad con la que se mueva, se llevarán a cabo 12
  22. 22. Antecedentes distintas reacciones dentro del juego. Es una forma de háptica muy sencilla, tal vez la más sencilla de todas, pero cumple su objetivo. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..8 Dual Shock 3 (SONY, 2010) en el documento..9 Wiimote (Nintendo, 2010) Uno de los principales objetivos de esta tecnología es la rehabilitación, ya que muchos de los pacientes que sufren algún tipo de discapacidad necesitan sentir estímulos de fuerza para mejorar su condición. Con relación a los invidentes, de acuerdo a Golledge (1993), su calidad de vida depende en gran medida de su habilidad para inferir información de decisiones espaciales, dadas a través del procesamiento y síntesis de la información espacial de una variedad de situaciones a diferentes escalas. Según Sanabria (2007) cuando el sujeto tiene una anticipación perceptiva, existe un mejor procesamiento de información que genera un mayor aprendizaje. Para esto existen hoy en día diversos dispositivos enfocados a este fin y uno de estos es el DMREI (Dispositivo Mecatrónico para la Representación Espacial de Invidentes) el cual podemos observar en la figura 1.11, desarrollado por el mismo Sanabria en la Universidad Pedagógica Nacional de Colombia. 13
  23. 23. Antecedentes Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..10 DMREI (Sanabria, 2007) 1.3 Protocolos de Comunicación Con el uso de ciertos protocolos de comunicación se ha logrado eliminar el factor distancia en la problemática de la manipulación en tiempo “real”, tomando en cuenta los retardos propios del mismo sistema. La función de estos protocolos será establecer una descripción formal de los formatos que deben presentar los mensajes para poder ser intercambiados entre nuestro dispositivo háptico y el manipulador. Concretamente, los protocolos de comunicación definen las reglas para la transmisión y recepción de la información entre los nodos de la red, de modo que para que dos nodos se puedan comunicar entre si es necesario que ambos empleen la misma configuración de protocolos (Almaraz, sin fecha). 1.4 Teleoperación Háptica Se puede decir que este tema existe desde que existe la teleoperación, pues cuando ésta empezó se utilizaban sistemas que se encontraban conectados por medios mecánicos, por lo que se transmitían las fuerzas a los mandos a distancia. Cuando se dejan de utilizar mandos remotos directamente conectados se hace la separación entre la teleoperación y la háptica. 14
  24. 24. Antecedentes Hoy en día se ha retomado la unión de estas dos tecnologías para poder realizar nuevos dispositivos y mejorar los ya existentes, logrando así una infinidad de posibilidades como diría Robles (2006), “El único límite de las aplicaciones hápticas está dado por el poder de nuestras mentes”. Con los dispositivos hápticos, el teleoperador puede controlar un manipulador dentro de un espacio de trabajo útil detectando los limites por medio de fuerzas que le impiden salirse del mismo, o bien, sentir las fuerzas correspondientes a colisiones entre piezas del mismo robot o piezas externas con el fin de evitar sobrecargas u otro tipo de daños permitiendo una mejor manipulación. 1.4.1 Aplicaciones Un ejemplo de la unión de estas tecnologías es el Robonaut 2 o R2 desarrollado por la NASA en conjunto con General Motors. En la figura 1.12 podemos observar a este dispositivo robótico que tiene la forma del torso de una persona. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..11 Robonauts utilizando herramientas (NASA, 2010). Muchos dispositivos aún se encuentran en etapas de desarrollo, se han logrado solucionar una gran cantidad de problemas con los que se habían encontrado los pioneros en el ámbito, sin embargo nuevos problemas han surgido. Es por eso que es importante continuar con el estudio, y con esto en un futuro no muy lejano se podrán emplear de manera más cotidiana y efectiva estas tecnologías. 1.5 Objetivos Particulares y distribución del trabajo 15
  25. 25. Antecedentes Partiendo del estado del arte y conociendo los conceptos de teleoperación, control, comunicación y tecnología háptica se puede ubicar de manera concreta el punto de partida y la manera en la que se dividirá el desarrollo del sistema maestro-esclavo. Se tienen como objetivos particulares: • Diseño mecánico de los dispositivos maestro y esclavo  • Diseño del sistema de control del esclavo  • Diseño del sistema de potencia del esclavo  • Diseño mecánico de la interfaz háptica (maestro)  • Diseño del sistema de control de la interfaz háptica (maestro)  • Diseño del sistema de potencia de la interfaz háptica (maestro)  • Diseño del sistema de comunicación entre ambos dispositivos  • Simulación de los sistemas  Para poder alcanzar los objetivos aquí planteados, este trabajo se ha organizado de la siguiente manera: En el Capítulo 2, Generalidades, se da una introducción formal a los aspectos teórico-prácticos necesarios para poder desarrollar y fundamentar de manera concreta las herramientas y técnicas a utilizar en el diseño. En el Capítulo 3, Diseño Conceptual, se plantea la metodología que se usará, siendo esta el QFD, la cual nos permite, partiendo de los requerimientos establecidos por un “cliente”, clasificar y seleccionar funciones y posibles soluciones teniendo como resultado un concepto ganador que satisfaga la necesidad general y algunos requerimientos deseables del “cliente”. En el Capítulo 4, Diseño a Detalle, se presenta el análisis y desarrollo, fundamentado con la información establecida en el capítulo de generalidades, del concepto ganador establecido en el Diseño Conceptual. En el capítulo 5, Costos, se utilizará la herramienta de análisis del valor para poder justificar la viabilidad económica del proyecto. Lo anterior es en el entendido de que, en función de los objetivos específicos planteados, se proponen secciones (capítulos) que habrán de cubrir con los establecido en ellos. 16
  26. 26. Antecedentes 17
  27. 27. Antecedentes 18
  28. 28. GENERALIDADES A lo largo de este capítulo se desarrollan los temas que son necesarios para poder entender de manera adecuada los procesos y las tecnologías que se ocuparán para el diseño conceptual y a detalle del dispositivo. 19
  29. 29. Generalidades 2. Generalidades Hoy en día gracias a los dispositivos hápticos, el teleoperador puede controlar un manipulador dentro de un espacio de trabajo útil detectando y retroalimentando las fuerzas correspondientes a colisiones entre piezas del mismo robot o piezas externas con el fin de evitar sobrecargas u otro tipo de daños permitiendo una mejor manipulación. Con el uso de los protocolos de comunicación existentes se ha logrado eliminar el factor distancia en la problemática de la manipulación, logrando realizar esta en tiempo “real”, tomando en cuenta los retardos propios del sistema; la función de estos protocolos será establecer una descripción formal de los formatos que deben presentar los mensajes para poder ser intercambiados entre nuestro dispositivo háptico y el manipulador. 2.1 Teleoperación A mediados del siglo pasado se vio la necesidad de manipular materiales en ambientes potencialmente peligrosos o con propiedades radioactivas, fue entonces cuando se comenzaron a desarrollar dispositivos más complejos para manipular a distancia. Estos desarrollos desembocaron finalmente en lo que se conoce como sistemas de teleoperación maestro-esclavo, en los que un manipulador denominado esclavo reproduce fielmente los movimientos de un dispositivo o manipulador maestro, controlado a su vez manualmente por un operador humano. Se puede decir que es entonces cuando la teleoperación cobra importancia como tecnología. De forma general, la teleoperación comprende todas aquellas tecnologías que permiten a un ser humano operar a distancia, con aplicación específica a la realización de tareas imprescindibles probablemente no repetitivas en ambientes hostiles y/o inaccesibles. También como teleoperación se entiende la acción propiamente dicha de operar a distancia. 20
  30. 30. Generalidades 2.1.1 Elementos y Arquitectura A continuación se describe la forma más habitual de trabajar con un sistema básico de telemanipulación, pero aunque es la más general hay que tener en cuenta que no es la única posible. En un sistema de teleoperación es necesario contar con un operador humano, que ha de estar siempre presente durante la realización de la tarea; pero a no ser que se esté teleoperando un robot, es el propio operador el que cierra en todo momento el bucle de control más externo. Primero, el operador maneja un manipulador maestro o dispositivo de control, para indicar los movimientos y demás acciones del elemento esclavo que realiza el trabajo en zona remota. Como ésta zona suele ser peligrosa o estar a una considerable distancia es necesario contar con algún tipo de interfaz que proporcione algo de telepresencia al operador. Lo más básico es contar con una interfaz visual que le permita ver los objetos del entorno y cómo se mueve el sistema teleoperado. Para aumentar más la telepresencia, se puede contar con un sistema para la realimentación sobre el operador de las fuerzas de reacción que siente el dispositivo teleoperado en su interacción con el entorno. Para ello se deberá de contar con los respectivos sensores y actuadores sobre el dispositivo maestro-esclavo. Tanto para la trasmisión de las señales del maestro hacia el esclavo y viceversa son necesarios unos buenos canales de comunicación adaptados a las necesidades del ancho de banda y a los requerimientos propios del entorno. Generalmente, en los sistemas más avanzados se cuenta con un computador encargado de procesar todo el flujo de señales y de adaptarlas o utilizarlas para otros fines. De forma general, un sistema teleoperado consta de los siguientes elementos, que también se muestran en la figura 2.1: • Operador o teleoperador • Dispositivo teleoperado • Dispositivos de control • Dispositivos de realimentación • Control y canales de comunicación • Sensores 21
  31. 31. Generalidades Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..12 Elementos básicos de un sistema de teleoperación (Barrientos, 2007) 2.1.2 Arquitectura de Control El grado y modo de intervención en la realización de la tarea con un sistema teleoperado puede variar según las circunstancias y necesidades. En la figura 2.2 se muestran diversos grados de control, desde un control totalmente manual a un control totalmente automático. Entre estos dos extremos se tiene un control manual en el que las señales de control y realimentación son procesadas por un ordenador, para adecuarlas a las necesidades del dispositivo; en este esquema el operador tiene control total del sistema y de la generación de comandos. Cuando ciertos bucles de control se cierran a través de un ordenar sin que lleguen al operador, se habla de control supervisado, es lo que se representa en el esquema tercero y cuarto de la figura 2.2. En el tercer esquema el operador todavía mantiene un cierto grado de control y genera comandos de forma continua, mientras el ordenador se encarga de adaptar o mejorar los comandos manuales o cerrar bucles de control complementarios. Dependiendo de cómo se comparta temporalmente la realización de las tareas entre el operador y el sistema de control se tienen dos opciones: • Control compartido: de manera simultánea ambos comparten la ejecución de la tarea. • Control negociado: computador y operador trabajan de forma alternativa.   22
  32. 32. Generalidades   Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..13 Niveles de modo de control remoto (Barrientos, 2007). Finalmente, en el cuarto esquema la mayor parte del control la realiza el computador, dejando al operador encargarse de comandos de alto nivel de manera intermitente. Éste tipo de control es útil para situaciones en las que existe un retardo en las comunicaciones entre la zona local y la zona remota. La figura 2.3 muestra una arquitectura de un sistema de teleoperación, con los bloques de procesamiento y los canales de comunicación. A continuación se describe la funcionalidad de cada uno de los bloques de esta arquitectura: • Dispositivo de control: dispositivo que controla el operador, con el que se generan los comandos hacia el dispositivo teleoperado. • Pre-procesamiento de comandos: representa el procesamiento de las señales generadas por los dispositivos de la zona local. • Lazo de control autónomo: depende del grado de autonomía, modifica o adapta los comandos incluso genera órdenes nuevas. • Sistema teleoperado: dispositivo que está bajo el control del operador a través del sistema de teleoperación. Contiene sensores que enviarán distintos tipos de medidas a la zona local. 23
  33. 33. Generalidades Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..14 Arquitectura genérica de un sistema de teleoperación (Barrientos, 2007) • Pre procesamiento de realimentación: representa el procesamiento de las señales realimentadas que vienen de la zona remota. • Combinación y distribución de la información: se concentra toda la información proveniente de la zona remota, proporciona información útil para la posible realimentación de fuerzas como una realimentación visual. • Realimentación visual básica: dispositivos de realimentación de la información visual (monitores). • Realimentación visual aumentada: representa pantallas en las que se representa en forma de gráficos información proveniente de la zona remota. • Simulador: puede tratarse de un simulador predictivo, útil para prever el resultado de los comandos en sistemas con retardos en la comunicación, también puede estar dotado de inteligencia y a partir de los comandos básicos crear comandos finales a trasmitir en la zona remota. 24
  34. 34. Generalidades • Realimentación háptica: sistema de realimentación de fuerzas directamente sobre el brazo o la mano del operador, la generación de la fuerza debe estar basada directamente en la fuerza de contacto medida en la zona remota, o incluso basada en un modelo existente en el simulador. 2.1.3 Dispositivos de Control y Retroalimentación Dos elementos importantes de un sistema de teleoperación son los dispositivos de control y realimentación. Los primeros son usados por el operador para generar comandos de movimiento o control para el sistema, y los segundos tienen como objetivo proporcionar al operador información de lo que está ocurriendo en la zona remota. Existen en el mercado una gran variedad de ambos dispositivos, muchos de ellos recién salidos de los laboratorios de investigación, pues se trata de un mercado en constante evolución. 2.1.3.1 Dispositivos de Control Existe una gran variedad de dispositivos de control aplicables a la teleoperación, algunos han sido diseñados específicamente para éste ámbito, mientras otros son de interacción con los computadores o provienen del ámbito de la realidad virtual o la industria de juegos de ordenador. En función de los grados de libertad que el dispositivo permite comandar podemos clasificarlos en dispositivos 2D (comandos en un plano) y dispositivos 3D (comandos en el espacio) que puedes ser únicamente de 3GDL para posicionamiento o también de 6GDL para orientación, siendo los dispositivos 3D son los más habituales en teleoperación por ésta misma razón. Algunos de estos dispositivos cuentan con una palanca o agarradera capaces de medir desplazamientos y generar comandos en tres o más grados de libertad, se distinguen los siguientes tipos: • Cartesianos: se componen de una palanca de mando sobre un sistema de ejes lineales colocados en una configuración ortogonal. Sus principales ventajas son el aumento del 25
  35. 35. Generalidades volumen de trabajo y la mayor movilidad del usuario. Por otro lado pueden llegar a ser muy voluminosos. (ver figura 2.4 C) • Paralelos: están basados en una cadena cinemática paralela, compuesta por una base fija y una plataforma móvil conectadas por seis articulaciones lineales dispuestas en paralelo (ver figura 2.4 B). La palanca de mandos esta de forma tal que permite movimientos de 6GDL, tiene buena precisión de posicionamiento, gran robustez y buena característica dinámica, por otro lado el control cinemático es más complicado y para grandes desplazamientos la estructura puede ser demasiado voluminosa. • Fuerza/par: estos dispositivos cuentan en la palanca o agarradera de un sensor fuerza/par capaz de medir la fuerza y el par que el operador ejerce sobre ella. Presenta el problema de no ser intuitivo para algunos movimientos y la precisión de los comandos por parte del operador no es buena. (ver figura 2.4 A) Figura A) Space Mouse Figura C) PERForce Figura B) Ejemplo dispositivo paralelo Figura 2.4 Diversos Dispositivos Hápticos (Barrientos, 2007) Otros tipos de dispositivos son denominados como controles articulados, en éste grupo se incluyen los dispositivos que permiten generar comandos en 3 o más GDL y están compuestos por una cadena cinemática articulada en serie. Son siempre diseños específicos y buscan aumentar la teleoperación. • Brazos maestros: similares a los manipuladores pasivos que el operador guía moviendo su extremo en forma de agarradera, pueden estar anclados al techo o pared así como sobre una mesa o el suelo. Son muy intuitivos para el operador, pues se mueven como si moviera el brazo, permiten realizar movimientos de 6GDL y en general presentan características dinámicas deficientes. • Sondas maestras: mecanismos articulados en serie de dimensiones pequeñas, el operador agarra el extremo con los dedos y opera como si se tratase de un lápiz o apuntador. Existen 26
  36. 36. Generalidades versiones de 3 y 6 GDL. Son también dispositivos muy intuitivos, y mucho más compactos que los brazos maestros, lo que les permite tener un mayor rango dinámico, con un volumen medio de trabajo. Su principal inconveniente es el cansancio que representa su operación. (figura 2.7). • Exo-esqueletos: estructuras similares a los brazos maestros pero anclados directamente al brazo del operador, de forma que reproducen directamente sus movimientos. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..5 The Omni® (Barrientos, 2007)   Existen también otras técnicas y dispositivos propios de otros campos, como realidad virtual que pueden utilizarse como dispositivos de entrada. Los más relevantes son: • Guantes sensorizados: también llamados guantes de datos. Se trata de guantes en los que se han colocado una serie de sensores que permiten captar el movimiento y la posición de cada uno de los dedos de la mano. Permiten manejar un gran número de GDL, su aplicación en teleoperación es limitada por su poca precisión. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..6 Guante sensorizado (Del Olmo, ca. 2009) • Dispositivos de seguimiento corporal: dispositivos que permiten localizar en el espacio los diversos miembros, e incluso el cuerpo entero. Hacen uso de una gran cantidad de tecnologías: óptica, mecánica, magnética o inercial. 27
  37. 37. Generalidades 2.1.3.2 Características de los Dispositivos de Control Las características de los dispositivos de control de entrada de comandos de un sistema determinan la utilidad del mismo, por tanto es interesante contar con una serie de características que permitan identificar las prestaciones de cada dispositivo frente a otros. Se dividen estas características en 3: las funcionales, las de diseño y por último las de adecuación para el uso. A continuación se profundiza en las tres mencionadas. Características funcionales: • Modos de control: manera en que se generan los comandos y como esos comando se relacionan con el movimiento del dispositivo remoto. • Manejabilidad: facilidad de movimiento del dispositivo en el volumen de trabajo. • Manos requeridas: número de manos necesarias para el control del dispositivo. • Precisión y control fino: hace referencia a la precisión del dispositivo y su resolución. • Carga de trabajo: se refiere a la atención y necesidad de la aplicación de los diferentes sentidos para el uso del dispositivo. Características de diseño: • Ancho de banda: ancho de banda del bucle de control entre dispositivo de control y el sistema teleoperado, es decir, la frecuencia a la que se muestrean los comandos y se transmiten. • Volumen de operación: volumen necesario para poder operar cómodamente el dispositivo de entrada. • Velocidades y aceleraciones máximas: velocidades y aceleraciones a los que el operador puede mover el dispositivo. • Flexibilidades y errores estáticos: hace referencia a la flexibilidad mecánica, servo control y a los posibles errores estáticos. 28
  38. 38. Generalidades • Acoplamiento cruzado: acoplamiento físico durante la operación entre distintos comandos de movimiento. • Efectos inerciales: la inercia aparente que el operador siente al mover el dispositivo de entrada. Características de adecuación para el uso: • Complejidad y fiabilidad • Costo • Seguridad 2.1.3.4 Dispositivos de Retroalimentación Se entiende como dispositivos de realimentación a todos aquellos dispositivos que informan al operador sobre el desarrollo de la tarea. Los tipos de dispositivos están relacionados con el tipo de información que se quiere mostrar al operador: visual, cinestésica, táctil o auditiva fundamentalmente. Dentro de los cuales encontramos: • Monitores de video • Pantallas de visualización tridimensional • Cascos de visualización tridimensional • Visualizadores transparentes • Dispositivos de realimentación táctil • Dispositivos de realimentación cinestésica o de fuerzas 2.1.3.5 Características de los dispositivos de Retroalimentación Para que la información sea útil al operador, no le confunda y le preste una imagen fiel sobre lo que está ocurriendo en la zona remota, es necesario prestar atención a una serie de características. Éstas básicamente mecánicas son explicadas en la siguiente hoja. 29
  39. 39. Generalidades Características mecánicas • Ancho de banda: ancho de banda de la información que se realimenta al operador de forma mecánica. • Nivel de realimentación: capacidad de generar fuerzas de mayor o menos nivel sobre el operador. Dependiendo del sistema se requerirá la reproducción exacta o escalada de la fuerza. • Realimentación activa o pasiva: indica si la realimentación sobre el operador implica una reacción inmediata del mismo. • Ajuste: hace referencia a la versatilidad del dispositivo para adaptarse a diversos usuarios. • Ergonomía: postura del usuario. • Peso y tamaño: peso y tamaño del dispositivo de realimentación, importante en aquellos dispositivos portátiles. • Equilibrado: distribución correcta del peso • Resistencia: capacidad de aguantar condiciones mecánicas adversas • Mantenimiento y almacenamiento: tipo de mantenimiento necesario y capacidad de almacenamiento y transporte cuando no está en uso. 2.1.4 Factores Humanos Una de las mayores diferencias de los sistemas de teleoperación con respecto a sistemas de funcionamiento automático es la intervención de un operador humano en la realización del proceso. Esta intervención se debe al hecho de requerir realizar tareas no predecibles o de gran complejidad, por lo que no tienen una fácil automatización, de ésta forma se aprovecha la enorme capacidad de decisión y respuesta ante eventos externos que poseen los humanos. La importancia del operador radica en que cierra el bucle de control del sistema global. El operador actúa como un controlador, generando señales de actuación sobre el dispositivo de control a partir de la realimentación de información del sistema remoto (ver figura 2.9). Si sus acciones de control no son adecuadas los resultados pueden ser desastrosos. 30
  40. 40. Generalidades Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..7 El operador como controlador del sistema de teleoperación (Barrientos, 2007) 2.1.4.1 Características Dinámicas del Operador Dentro de las definiciones que tenemos para describir cómo se comporta un operador desde el punto de vista de control manual son variadas, “el operador humano actúa como un controlador adaptativo y robusto”, “el operador humano en un sistema hombre-máquina es el arquetipo de un controlador de toma de decisiones jerárquico, adaptativo y optimizador” y “el operador humano es un controlador adaptativo que aprende de la experiencia”, entre otras. Frente al conjunto de estímulos externos el operador humano presenta dos limitaciones principales. En primer lugar, su capacidad de atención es limitada, y si existen diversos estímulos simultáneamente deberá compartir la atención entre todos ellos. Por otro lado requiere de un tiempo para la toma de decisiones. Desde que se produce el hecho relevante hasta que el cerebro envía la correspondiente orden al sistema neuro-muscular transcurre un tiempo, este tiempo, se debe principalmente a la realimentación visual y al procesamiento de la información. Una vez que se ha tomado una decisión y se ha generado una orden de movimiento a los músculos se necesita un tiempo determinado para que la información llegue al sistema neuro-muscular, y por otro lado, este sistema tiene su propia dinámica de respuesta. Los seres humanos pueden variar algunas características de funcionamiento del sistema neuro- muscular junto con su realimentación propioceptiva; se pueden variar las características dinámicas 31
  41. 41. Generalidades del brazo y del codo, como la rigidez, inercia y el amortiguamiento, aunque los cambios que se pueden realizar en la inercia son mínimos, la rigidez y el amortiguamiento están correlacionados. Es importante destacar el diferente ancho de banda en la actuación y la sensación del ser humano; mientras la actuación ronda los 5-10Hz, la sensación está por encima de los 20-30Hz hasta llegar a los 100Hz para realimentaciones cinestésicas. Como consecuencia de los retrasos en las distintas transmisiones y respuestas de los componentes, el ancho de banda de respuesta en el control manual ante señales de referencia aleatorias de fuerza y posición no llega a los 2Hz. Además de los elementos sensomotrices los humanos poseemos en la mano unos sensores exteroceptivos, denominados mecano-receptores cutáneos, que permiten recoger información táctil del entorno (ver tabla 2-1). Mediante estos se detectan estímulos hasta los 300Hz e incluso se pueden detectar vibraciones por encima de 1KHz en frecuencia y por debajo de 1µm en amplitud. Tabla ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento.-1 Características de los mecano-receptores cutáneos Velocidad de Frecuencia del Tipo de receptor Área receptiva Función adaptación estímulo Pequeña / Discos Merkel Lenta/Irregular 0 – 10 Hz Detección de bordes e intensidad Bien definida Corpúsculos Grande / no bien Detección de fuerzas estáticas y Lenta / Regular 0 a 10 Hz Ruffini definida estiramiento de la piel Corpúsculos Pequeña / bien Rápida / Irregular 20 – 50 Hz Detección de velocidad y bordes Meissner definida Corpúsculos Grande / bien Rápida / Regular 100 – 300 Hz Detección de aceleración y vibraciones Pacinianos definida   En cuanto a la resolución diversos estudios han confirmado que se pueden discernir variaciones de 2º en las articulaciones de los dedos, muñecas y codos, llegando hasta 0.8º en el hombro. Por otro lado la distancia mínima entre 2 estímulos táctiles en los dedos que permite distinguirlos es de alrededor 2.5mm mientras que en la palma de la mano es de 11mm y en los muslos de 67mm. 32
  42. 42. Generalidades El operador posee dos canales para el reconocimiento del entorno en forma de dos señales de características distintas: una de baja frecuencia y alta energía que es medida por músculos y demás elementos del brazo, que sirve para la coordinación; y una segunda de alta frecuencia y baja energía que es medida por elementos sensoriales de la piel y que transmite información de alta calidad sobre el entorno. La tabla 2-2 resume de forma general las características que debe tener un sistema teleoperado tomando en cuenta las características senso-motrices de los seres humanos. Tabla ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento.-2 Características necesarias de un sistema teleoperado derivadas de las características senso-motrices de los seres humanos (Barrientos, 2007) Control Realimentación táctil Realimentación cinestésica Retar de Transmisión 10ms 5ms 20ms Ancho de banda 100Hz 0 – 10KHz 50 – 100Hz Vibración 10 – 100 mm Resolución 10 bits / GDL 0.1 N Espacial 1 – 2 mm 20N en continuo 20N en continuo Rango dinámico 8 bit 1N a 10Hz 1N a 10Hz Rango de nivel de ruido 200 : 1 200 : 1 64 : 1 admisible   2.1.5 Control Un sistema de teleoperación se puede definir de forma simple como un sistema en el que un operador humano controla un dispositivo remotamente. El concepto de control es, por tanto, intrínseco a la teleoperación, pero desde el punto de vista de una relación operador-dispositivo, y no tanto de la perspectiva de control dinámico de éste último. Se presentan en orden creciente de complejidad los conceptos principales de control en teleoperación: • Control unilateral • Control independiente y control integrado • Control en posición y velocidad • Control por reflexión de fuerzas • Control bilateral • Control de sistemas con retardo temporal 33
  43. 43. Generalidades 2.1.5.1 Control Unilateral En los primeros desarrollos de sistemas teleoperados maestro-esclavo el control implementado era unilateral también llamado de bucle abierto. En éste tipo de sistema no existe ninguna señal de realimentación desde el esclavo hacia el maestro. Únicamente se puede realizar un control en un sentido, es decir, que el manipulador esclavo se mueve al mover el maestro pero no a la inversa. Dentro del control unilateral se pueden destacar diversas formas de realizar el control según como y cuáles son las señales que se generan en el maestro. 2.1.5.2 Control independiente y control integrado El control independiente o por interrupciones se realiza con dispositivos maestros en los que al mismo tiempo únicamente se pueden generar referencias o mandar señales de control, normalmente del tipo todo o nada en velocidad. Por otro lado el control integrado, existe un dispositivo maestro que genera todas las señales de referencia de uso simultáneo en todos los bucles de control del esclavo (ver figura 2.10). Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..8 Esquema general de control unilateral integrado (Barrientos, 2007) 2.1.5.3 Control en posición y velocidad En el control integrado es posible realizar dos tipos de control distintos en función de cómo se utilice las señales de salida. Si estas señales se utilizan como referencias de posición para los GDL, se habla de control en posición; si en cambio se utilizan como referencias de velocidad, se habla de control en velocidad. 34
  44. 44. Generalidades El control de posición es más útil que el control en posición en cuanto la los tiempos de ejecución, la fuerza media ejercida sobre el entorno o la valoración de los operadores sobre su comodidad de operación. 2.1.5.4 Control por reflexión de fuerzas La conveniencia de transmitir al operador los esfuerzos de contacto que el manipulador esclavo realiza en el entorno remoto. Téngase en cuenta de que se está hablando de reflexión y no de realimentación, que sería un caso particular de reflexión. La reflexión de esfuerzos puede ser realizada de diferentes formas, siendo la más frecuente la reflexión visual y la realimentación háptica, también se tienen reflexión mediante sonidos y táctil (Massimino, 1993). Reflexión Visual de Fuerzas Se realiza presentando éstas de manera visual al operador mediante un visualizador. El gráfico incluye tanto las fuerzas ejercidas por el operador en cada uno de los ejes como sus respectivos momentos. Retroalimentación Háptica Se busca aprovechar la excelente capacidad que posee el ser humano de percibir información transmitida por contacto o fuerzas de reacción. El rango de frecuencias que una persona puede sentir es mucho mayor que el rango de frecuencias del sistema motriz por lo que es muy importante llegar hasta ello para obtener una retroalimentación háptica de gran finalidad. Este tipo de reflexión se genera directamente aplicando una fuerza sobre la mano, excitando así dos elementos básicos de transmisión de señales hápticas: los mecanoreceptores cutáneos (retroalimentación táctil) y los propioceptores de los músculos del brazo (realimentación de fuerzas). Retroalimentación Háptica Indirecta Refleja las fuerzas de contacto medidas en la zona remota en la mano que no está realizando el control del dispositivo, así, se desacopla la percepción de la reacción con lo que el sistema gana un margen de estabilidad, especialmente en presencia de pequeños retardos en la comunicación. 35
  45. 45. Generalidades Desde los primeros modelos de sistemas de teleoperación maestro-esclavo se ha intentado que el operador reciba información sobre las fuerzas de contacto, pues es intuitivo que esta información ayudará al operador a realizar la terea. Cualquiera de los modos de reflexión mejora las prestaciones de un sistema teleoperado, aunque la reflexión cinestésica es la más adecuada, mientras que la visual, sonora y táctil podrían serlo en determinadas aplicaciones. 2.1.5.5 Control Bilateral Se trata del tipo de sistemas de teleoperación habitualmente más utilizado en las aplicaciones actuales de la teleoperación. El control bilateral surge como el control necesario a implantar en un sistema de teleoperación para que exista realimentación háptica. El sistema con este tipo de control tiene variables de control en el sentido del maestro al esclavo y fluyendo también en sentido contrario, se supone que ambos dispositivos o manipuladores cuentan con algún tipo de accionamiento en sus articulaciones que vendrán ligados en su comportamiento. Dada la importancia del control bilateral dentro de la teleoperación se ha preferido dedicar un apartado completo. 2.1.5.6 Control de Sistemas con Retardo Temporal La existencia de retardos en la comunicación supone un gran problema en la estabilidad de los sistemas de teleoperación debido a que estas limitaciones están dispuestas por las distancias entre la zona local y la zona remota, distancias que las ondas de radio tienen que franquear a una velocidad de transmisión limitada. En el caso de la teleoperación el problema se agrava porque existe contacto físico del dispositivo con el entorno, si la información de ese contacto tiene un retardo el operador no se dará cuenta hasta un tiempo después de que tiene que actuar sobre el sistema, además, cuando reaccione el sistema teleoperado ya no estará donde él creía que estaba. La solución más inmediata para contrarrestar el retardo temporal es adoptar una estrategia de “mover y esperar”, es decir, realizar pequeños movimientos y esperar el resultado tras cada uno de 36
  46. 46. Generalidades ellos. Este método, aunque más intuitivo y natural, aumenta el tiempo de ejecución exponencialmente en función del retardo, escondiendo solamente el problema. Las técnicas más habituales para contrarrestar los efectos del retardo temporal son: • Adaptación activa remota. Consiste en dotar al sistema de una capacidad de adaptación al entorno. Esta adaptación es útil cuando es necesario que el efector final corrija ligeramente su posición en función de las fuerzas de contacto con el entorno sin tener que esperar a una reacción por parte del operador. • Visualizadores predictivos. Son sistemas que muestran al operador, en tiempo real mediante simuladores, el resultado de las acciones que realiza sin tener que esperar a recibir la información de la zona remota. Es necesario tener un modelo preciso y realizar las respectivas extrapolaciones del mismo en el tiempo. En algunos casos la información real y simulada es combinada para dar un mayor grado de realismo y telepresencia. • Embragues temporales y espaciales. Consiste en un refinamiento de los visualizadores predictivos. En el embrague espacial los movimientos que realiza el operador no son enviados inmediatamente a la zona remota si no que se comprueba su resultado, de no ser el adecuado el operador puede repetir la tarea. En el caso de embrague temporal el operador puede salir de sincronismo con la tarea real y con ayuda del visualizador acelerar el proceso en las operaciones fáciles y frenarlo en las difíciles. 2.1.6 Control Bilateral en la Teleoperación El control bilateral ya fue brevemente introducido, se vio que este tipo de control es necesario para la implantación de un sistema teleoperado con realimentación háptica hacia el operador. El estudio en un esquema de control bilateral es lo suficientemente complejo, para que habitualmente se consideren los GDL de cada manipulador desacoplados entre sí, analizando sistemas de un único grado de libertad. A cada GDL se le asocia un actuador ya sea rotativo o lineal. 2.1.6.1 Esquema General de Implantación del Control Bilateral El caso general de maestro y esclavo formados por un eslabón con 1 GDL, en el que existe un actuador y sensores de posición, velocidad y fuerza/par. La figura 2.11 muestra el esquema general 37
  47. 47. Generalidades de implantación de control bilateral para un sistema de teleoperación con un único grado de libertad y articulaciones rotativas en ambos manipuladores. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..9 Esquema general de control bilateral (Barrientos, 2010) La información captada en cada instante por estos sensores va directamente al controlador de la articulación. A su vez, cada controlador genera directamente la señal de mando para su actuador correspondiente. Esta señal de mando dependerá, de la información obtenida con los sensores de la propia articulación y de información enviada por el controlador de la articulación correspondiente al otro manipulador. El que exista información fluyendo entre los dos controladores en ambos sentidos confiere al esquema global la característica de bilateral. 2.1.6.2 Esquemas Básicos de Control Bilateral En ésta arquitectura general se pueden aplicar arquitecturas más simples o complejas dependiendo del uso de información disponible de los sensores y de los controladores. Existen tres esquemas básicos de control bilateral, basados en las magnitudes empleadas en el control de cada manipulador. En las configuraciones básicas no se hace uso de la señal de velocidad, aunque es habitual implementar un bucle de velocidad similar al de posición en los manipuladores para corregir los efectos de fricción viscosa y tener un mejor comportamiento dinámico. Esquema posición-posición 38
  48. 48. Generalidades Es el primer esquema de control bilateral que se llevó a la práctica, y lo realizó el equipo de Ray Goertz en 1954, también es conocido como error común en posición o como servo simétrico de posición. La figura 2.12 muestra el esquema básico de su funcionamiento. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..150 Esquema de control bilateral posición- posición (Barrientos, 2007) Consiste en controlar el maestro con un bucle de posición cuya referencia es la posición actual el esclavo. Mientras que el esclavo también se encuentra servocontrolado en posición teniendo como referencia la posición del maestro. Se trata de un sistema bastante estable en su funcionamiento, y en régimen permanente la fuerza que el operador aplica sobre el eslabón del maestro es similar a la fuerza realizada por el eslabón del esclavo sobre el entorno. Esquema fuerza-posición Es un esquema más moderno que el posición-posición, desarrollándose las primeras investigaciones entre 1965 y 1969 por Carl Flatau del Brookhacven National Laboratory (Vertut, 1985). La figura 2.13 presenta un esquema básico de su funcionamiento. Al igual que el esquema anterior el esclavo se encuentra servocontrolado en posición, sin embargo, ahora el actuador del maestro recibe directamente una señal de realimentación de fuerza, 39
  49. 49. Generalidades proveniente del sensor de fuerza en el eje del esclavo. Generalmente esta señal es atenuada para mejorar la estabilidad. Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..11 Esquema de control bilateral fuerza- posición (Barrientos, 2007) Este sistema es totalmente asimétrico en el tratamiento del maestro y del esclavo, lo cual agrava los problemas de estabilidad. Como principal ventaja tiene que el maestro reproduce lo mejor posible la fuerza de reacción que el esclavo realiza sobre el entorno, lo que da mayor fidelidad de reflexión de esfuerzos para el operador. Esquema servo de fuerza-posición Aparece de manera simultánea con el esquema fuerza-posición a finales de los años sesenta, aunque su utilización no está muy extendida. La figura 2.14 presenta un esquema básico de su funcionamiento. 40
  50. 50. Generalidades Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento..162 Esquema de control bilateral servo fuerza- posición (Barrientos, 2007) De manera similar a los esquemas anteriores el manipulador esclavo se encuentra servocontrolado en posición utilizando como referencia la posición que marca el maestro. El esclavo por su parte, realimenta la fuerza proveniente de su sensor a un bucle de fuerza en el maestro, que controla la fuerza que éste debe desarrollar en el eje de salida. Este esquema es muy similar al de fuerza-posición, pero el bucle de fuerza consigue que en el eje de salida se reproduzca de forma exacta la fuerza sentida por el esclavo, que en el esquema fuerza- posición se degrada debido a las inercias y rozamientos del maestro. Se trata también de un sistema no simétrico que presenta problemas de estabilidad, dependientes en gran medida del grado de reflexión de la fuerza del esclavo. 2.2 Háptica La háptica, aunque no sea una palabra aceptada en la Real Academia de la Lengua Española, hace referencia al sentido del tacto, teniendo su origen en el término griego Hapthai relativo al tacto. Es muy utilizado en el área tecnológica, a continuación se explica más a fondo algunos de los términos que se han venido manejando a lo largo de este trabajo. 2.2.1 Definiciones 41
  51. 51. Generalidades Retroalimentación háptica, es la realimentación de la sensación de contacto. Este término engloba dos conceptos sumamente importantes que no se deben de confundir y son la realimentación táctil y la realimentación de fuerzas. Es por eso que los dispositivos capaces de realimentar al operador sensaciones táctiles y de fuerza se les denomine interfaces hápticas, incluso cuando algunos autores utilicen este término únicamente para la realimentación táctil. La retroalimentación táctil se refiere a la sensación de contacto aplicada a la piel. Es medida por los receptores colocados cerca de la piel, los cuales poseen un gran ancho de banda que va de los 50 a los 350 Hz, permitiendo detectar el primer contacto con el entrono, conocer la geometría de la superficie, su rugosidad y su temperatura. La retroalimentación de fuerzas también conocida como cinestésica es la realimentación de la sensación de una resistencia al avance o un peso que hace referencia a la excitación de los sensores colocados en los músculos y tendones, unidos a huesos y articulaciones, y que transmiten a la espina dorsal y al cerebro las tensiones y fuerzas que se producen durante el movimiento, ya sean inerciales o de contacto. Se trata de receptores con poco ancho de banda que proporcionan información sobre la fuerza total de contacto, así como el peso y deformabilidad de un objeto. No debe de haber confusión, la retroalimentación táctil aparece únicamente durante el contacto, mientras que la realimentación de fuerzas puede darse sin contacto, pues éstas pueden deberse a un peso o a fuerzas inerciales. Además, la realimentación de fuerzas se opone activamente al movimiento libre de la mano o el brazo, mientras que la realimentación táctil es del todo pasiva. Por otro lado, la propiocepción es la capacidad de conocer la disposición estática de cada uno de sus miembros. Hace referencia a la sensación de posición estática. Esta capacidad está basada en los receptores localizados en las articulaciones del esqueleto, en el oído y en impulsos generados por el sistema nervioso central. 42

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