ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
DISEÑO DE UN SISTEMA ROBÓTICO TELEOPERADO PARA FINES DIDÁCTICOS
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL
PRESENTAN
CAMACHO RÍOS ANALUISA PAMELA PÉREZ SERRANO DIANA ROSA
ASESORES:
M. en C. Raúl Rivera Blas
Dr. Emmanuel Alejandro Merchán Cruz
JUNIO 2008
RESUMEN
En esta tesis se presenta el diseño de un robot teleoperado con fines didácticos. Se plantean el problema y los requerimientos para la solución del diseño.
En el primer capítulo se presentan los antecedentes relacionados con todos los diferentes tipos de los robots teleoperados, así como sus áreas de aplicación. Se hace una revisión de lo que existe actualmente, dentro y fuera del país.
En el segundo capítulo se presentan todas las bases necesarias para el diseño de un robot teleoperado para fines didácticos, tomando en cuenta el análisis cinemático mediante el método de Denavit- Hartenberg. Además de que se hace la descripción de todos los elementos de control y electrónicos que se requieren para el diseño del sistema, y las herramientas de programación que se utilizan para fines de control.
En el tercer capítulo se aplican todas las bases teóricas para el diseño del sistema robótico, incluyendo los cálculos mecánicos, selección de materiales y desarrollo del algoritmo de control para manipular el brazo robótico.
Finalmente en el cuarto capítulo se hace un estudio de costos de ingeniería, incluyendo costos del material de la estructura, manufactura de los materiales, sensores, cámaras, dispositivos electrónicos, así como el tiempo de trabajo que llevó realizar este proyecto.
ABSTRACT
In this thesis is presented the design of a teleoperated robot with didactic end. Presenting the problem and the requests for the solution of the design. In the first chapter are presented all antecedents the different types of the teleoperated robots, as well as their areas of application. A review is done of what exists at present, inside and out of the country.
In the second chapter all the necessary bases for the design of a teleoperated robot are presented for didactic end, taking into account the kinematic analysis of the method of Denavit-Hartenberg.
Besides that, the description of all devices of control and electronic that are required for the design of the system, and the tools of programming that are utilized for end of control.
The third chapter is the application of the theoretical bases for the design of the robotic system, including the mechanical calculations, selection of materials and development of the algorithm of control to manipulate the robotic arm.
Finally in the fourth chapter an engineering costs study was done, including costs of the material of the structure, manufacture of the materials, sensors, cameras, electronic devices, as well as the time of work that carried to carry out this project.
NECESIDAD
El diseño de Robots Didácticos Teleoperados.
REQUERIMENTOS
Construir un robot tipo articulado teleoperado de 3 grados de libertad, que soporte hasta 1 Kg. de peso, se requiere manipular objetos a distancia y un manejo del robot en tiempo real.
Con este sistema se pretenden hacer operaciones guiadas a través de un operador. Se manipulará por medio de una computadora con lenguaje gráfico de programación (LabVIEW) y se controlará con dispositivos lógicos programables (CPLD o FPGA).
METAS
Ejecutar diversas tareas por parte del robot mediante la configuración remota de control.
Implementar un robot teleoperado lo más económicamente posible para que esté al alcance de cualquier institución.
Que la operación del robot teleoperado, sea lo más sencilla posible.
Realizar el control por medio del lenguaje gráfico de programación la LabVIEW.
JUSTIFICACIÓN
Debido a la falta de robots teleoperados, particularmente en la ESIME Azcapotzalco, y su enorme utilidad en diferentes campos de la industria, es justificable la realización de este proyecto. Con el fin de que los estudiantes se familiaricen con el diseño y operación de este tipo de robots.
ALCANCES
En la creación de este sistema se utilizarán algoritmos de control y programación de dispositivos lógicos programables para realizar operaciones teleguiadas en tiempo real.
Introducción
Existen muchas circunstancias en las cuales no es conveniente emplear personas para la realización de algunas labores debido al alto riesgo al que ellos se exponen; por esta razón se han desarrollado herramientas o equipos que permitan reemplazar al hombre al realizar estas operaciones a distancia.
Dentro de estos equipos se encuentran los móviles teleoperados también conocidos como robots a pesar de no ser autónomos.
Los robots teleoperados son aquellos controlados por un usuario a distancia desde una estación remota. Dada su gran utilidad, se han empleado en diversos campos. Este tipo de manejo supone una distancia desde el punto de vista de la protección y seguridad del usuario, ya que en caso de realizar trabajos en ambientes inseguros o inestables o con sustancias potencialmente peligrosas, como químicos o explosivos, no se arriesga su integridad física, en nuestro caso la realización de un robot teleoperado para fines didácticos.
Desde que surgen estos sistemas de teleoperación hasta nuestros días se puede ver que ha existido un gran avance en el área de acción de la teleoperación, que 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.
En los sistemas de teleoperación de robots la intervención del operador humano muchas veces es imprescindible, especialmente en entornos no estructurados y dinámicos en los cuales los problemas de percepción y planificación automática son muy complejos.
En muchos casos el operador esta físicamente separado del robot, existiendo un sistema de telecomunicaciones entre los dispositivos que utiliza directamente el operador y el sistema de control local del robot.
En el desarrollo de robots teleoperados se involucra la electrónica, las comunicaciones, el control, la inteligencia artificial y la visión por computadora.
El uso de la inteligencia artificial se puede apreciar en las decisiones que debe tomar el robot por ejemplo: evitar obstáculos al ir de un sitio a otro, eligiendo el camino más corto o cuando se le enseña a reaccionar frente a ciertos estímulos y responde acertadamente a estímulos nuevos como en el caso de las redes neuronales. La visión por computadora es utilizada cuando las tareas del robot involucran el procesamiento de imágenes provenientes de cámaras de video que pueden estar ubicadas en el mismo. Tanto la inteligencia artificial como la visión pueden simplificar significativamente el trabajo del operador.
ESTADO DEL ARTE
El presente capítulo contiene los antecedentes relacionados con todos los diferentes tipos de los robots teleoperados, así como sus áreas de aplicación.
Se hace una revisión de lo que existe actualmente, dentro y fuera del país.
1
1.1 Definiciones
Robot
Un robot es cualquier mecanismo que sustituya la labor humana.
Robot Industrial
Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas, de acuerdo a la RIA [Robot Industry Association].
Robot Teleoperado
Existen diferentes definiciones para el término teleoperador, sin embargo daremos una definición la cual no es enteramente original sino que se trata de una definición híbrida, elaborada en base a las definiciones publicadas en el primer libro importante sobre el tema [Jhonsen y Corliss, 1969] y en los informes de la U.S. Nacional Aeronauthics Space Administration NASA (Administración Nacional Aeronáutica y del Espacio), [Anega y Clingan, 1972].
La definición de esta tesis es que un teleoperador u operador teledirigido es un sistema cibernético humano - máquina diseñado para aumentar y ampliar los sentidos y la destreza humana.
[McCloy, 1987].
Teleoperación
Es el conjunto de tecnologías que comprenden la operación o gobierno a distancia de un dispositivo por un ser humano. Por tanto, teleoperar es la acción que realiza un ser humano de operar o gobernar a distancia un dispositivo.
Telemanipulación
Es el conjunto de tecnologías que comprenden la operación o gobierno a distancia por un ser humano de un manipulador. Por tanto, telemanipular es la acción que realiza un ser humano de operar o gobernar a distancia un manipulador, mientras que un sistema de telemanipulación será aquel que permita teleoperar un manipulador, que se denominará manipulador teleoperado.
1.2 Telerobótica
Es el conjunto de tecnologías que comprenden la monitorización y reprogramación a distancia de un robot por un ser humano. Se hablará entonces de la teleoperación de un robot, que se denominará telerobot o robot teleoperado.
Telepresencia
Es la situación o circunstancia que se da cuando un ser humano tiene la sensación de encontrarse físicamente en un lugar remoto. La telepresencia se consigue realimentando coherentemente al ser humano suficiente cantidad de información sobre el entorno remoto.
Realidad virtual
Es la situación o circunstancia que se da cuando un ser humano tiene la sensación de encontrarse en un lugar distinto de donde físicamente está gracias a la información generada exclusivamente por un computador. El entorno que se genera, y en el que él operador se encuentra inmerso se denomina campo virtual, y la situación de estar en él se conoce como presencia virtual.
1.3 Componentes de un sistema teleoperado
Un sistema teleoperado se compone principalmente de una estación de teleoperación, un sistema de comunicación y esclavo, el esclavo puede ser un manipulador o un robot móvil equipado con un manipulador ubicado en un entorno remoto. La estación de teleoperación permite controlar al esclavo a distancia por medio del sistema de telecomunicación el cual puede transmitir las señales de control hacia el esclavo y, a su vez, recibir señales de información sobre el estado de éste en la estación de teleoperación a través de un canal de comunicación que puede ser una red de computadoras, un enlace de radio frecuencia o microondas.
Una estación de teleoperación puede estar compuesta por dispositivos de entrada y de salida para interactuar a distancia. Los dispositivos de entrada pueden ser el teclado y una palanca de control y los de salida, pueden ser un monitor y los parlantes. El software que se encuentra en el computador tiene una interfaz gráfica de usuario que permite interactuar con el robot a distancia.
Una interfaz para teleoperación de robots maneja bastante información en tiempo real, es decir información que es necesario procesar bajo ciertas restricciones de tiempo para tomar alguna acción.
Para obtener esta información los robots móviles están provistos de una gran cantidad de sensores los cuales se encargan de detectar magnitudes físicas, estos pueden ser de proximidad, posición, inclinación y posiblemente cámaras de video, por tal razón en la construcción del software se debe tener en cuenta la optimización del tiempo en cada tarea.
Además la interfaz hombre máquina debe estar diseñada de forma que la información sea presentada adecuadamente, de tal manera que se facilite tanto la ubicación espacial como el acceso del usuario a la información esencial para así evitar cuellos de botella.
El esclavo se encuentra en un entorno remoto y se controla a distancia desde una estación de teleoperación. La persona que lo controla obtiene información del ambiente en el que se encuentra el robot, esta información es obtenida mediante sensores, permitiendo al usuario interactuar con el medio ambiente a distancia dando la sensación de estar físicamente en otro lugar.
En resumen un sistema de teleoperación consta de los siguientes elementos:
Operador o teleoperador
Es un ser humano que realiza a distancia el control de la operación. Su acción puede ir desde un control continuo hasta una intervención intermitente, con la que únicamente se ocupa de monitorizar y de indicar objetivos y planes cada cierto tiempo.
Dispositivo teleoperado
Podrá ser un manipulador, un robot, un vehículo o dispositivo similar. Es la máquina que trabaja en la zona remota y que esta siendo controlada por el operador.
Interfaz
Conjunto de dispositivos que permiten la interacción del operador con el sistema de teleoperación.
Se considera al manipulador maestro como parte del interfaz, así como a los monitores de vídeo, o cualquier otro dispositivo que permita al operador mandar información al sistema y recibir información del mismo.
Control y canales comunicación
Conjunto de dispositivos que modulan, transmiten y adaptan el conjunto de señales que se transmiten entre la zona remota y la local. Generalmente se contará con uno o varias unidades de procesamiento.
Sensores
Conjunto de dispositivos que recogen la información, tanto de la zona local como de la zona remota, para ser utilizada por el interfaz y el control.
En la figura 1.1 se ilustran los elementos. NuñoE.y L.Basañez,2004
Figura 1 .1.- Elementos básicos de un sistema de teleoperación.
1.4 Antecedentes
Debemos hacer notar que las investigaciones en torno a la telemanipulación de objetos nacieron en los años cuarenta en los laboratorios de la industria nuclear, debido al alto riesgo que presenta estar en contacto directo con los elementos radioactivos.
Consistían en un par de pinzas “maestra” y “esclava” acopladas por mecanismos que permitían que la pinza “esclava”, en contacto con el material peligroso reprodujera los movimientos de la pinza
“maestra” accionada por un operador detrás de un muro protector con ventanas apropiadas para observar la operación.
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 fruto 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.
A principios de los años 50 se comenzaron los desarrollos encaminados a motorizar ambos manipuladores, maestro y esclavo, de una forma adecuada. Fue en 1954 cuando Goertz presentó el primer manipulador maestro-esclavo con accionamiento eléctrico y servocontrol en ambos manipuladores llamado E1.
En los años sesenta se extendieron las investigaciones hasta el campo de las aplicaciones submarinas, siendo los sistemas cada vez más sofisticados, especialmente por la inclusión de cámaras y demás dispositivos para aumentar la telepresencia del operador.
A finales de los años sesenta y principios de los setenta, la tecnología de la teleoperación alcanzó su mayoría de edad con su utilización en aplicaciones espaciales. Aparecieron nuevos retos y problemas siendo de especial relevancia la existencia de retrasos temporales en la comunicación entre la zona local y la zona remota.
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.
Ha habido, por una parte 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.
La incorporación de los desarrollos de la robótica y la tecnología multimedia han permitido incrementar las capacidades del sistema remoto, especialmente en lo que se refiere a su autonomía, y del puesto local de control, mejorando fundamentalmente las prestaciones de la interfaz hombre máquina. Ollero,2001
1.5 Aplicaciones de la teleoperación
Desde los primeros desarrollos de la teleoperación, la industria nuclear ha sido el principal consumidor de estos sistemas. Sin embargo, con el paso de los años se fue viendo su aplicabilidad a otros sectores, especialmente relacionados con las industrias de servicio. A continuación se
1.5.1 Aplicaciones en el Espacio
Las aplicaciones en el espacio tienen buenas razones para usar la teleoperación como técnica de manipulación remota, algunas de estas razones son:
Seguridad: Todas las operaciones espaciales son de alto riesgo, que pueden ser la causa de muerte para los astronautas.
Costo: El equipo necesario para los pasajeros humanos es mucho más caro y pesado que un sistema de teleoperación.
Tiempo: Hay muchas misiones que duran muchos años para lograr sus objetivos, que hace que estas misiones sean sin tripulación humana.
Los vacilantes primeros pasos hacia el uso de teleoperadores en el espacio se dieron hace cerca de veinte años cuando la NASA logró posar el surveyor sobre la superficie lunar. Como parte de este proyecto se transmitieron imágenes televisadas a la tierra y se llevaron a cabo muestreos de la superficie lunar a control remoto. El brazo para la recolección de las muestras tenía solamente tres grados de libertad: rotación sobre el azimut, rotación en elevación y extensión en una dirección radial. El operador podía accionar un motor por vez a través de comandos digitales generados en la goldstone deep space network station (estación goldstone de redes del espacio exterior) de la NASA ubicada en California. En fechas más recientes el viking 2 llevó a cabo operaciones en Marte. La atención también se ha concentrado con el uso de teleoperadores móviles en las superficies de los distintos planetas. Estos operadores pueden recolectar y manejar muestras, así como llevar a cabo experimentos, además se pueden usar para la reparación y el mantenimiento de equipo instalado en el planeta.
Las exploraciones de las superficies lunar y marciana hicieron evidente las grandes dificultades asociadas con el control de teleoperadores a través de distancias extremadamente grandes. Incluso con ondas de radio que se desplazan a 3X108 m/s el retraso entre la iniciación de una acción en la tierra y la percepción de sus efectos a estas grandes distancias es apreciable: 2.6s para la luna y de 6 a 44 minutos para Marte, dependiendo de sí se encuentra en su conjunción superior o inferior con la
Tierra, estas demoras redundan en considerables problemas de control. Una solución es controlar los operadores teledirigidos desde satélites en una órbita en el espacio exterior.
Otra aplicación espacial es un transbordador espacial (orbitador) que utiliza un teleoperador aplicado al transbordador para recuperar un teleoperador en vuelo libre. Estos sistemas se han desarrollado
para la colocación, la captura, el mantenimiento, y la reparación de satélites para la corrección de las órbitas de los mismos, para la destrucción de satélites militares, para la construcción de estaciones espaciales y varios otros fines.
El teleoperador acoplado al transbordador puede trabajar en forma independiente para capturar y poner en órbita cargas pesadas, pero, desde un punto de vista solo energético, puede resultar mucho menos costoso colocar el orbitador en una órbita cercana a la tierra y lanzar el teleoperador en vuelo libre a las órbitas geosincrónicas superiores en donde se encuentran la mayoría de los satélites. El brazo de un teleoperador acoplado al transbordador tiene una extensión característica de 20m y puede tener siete grados de libertad; esta libertad adicional permite una ubicación independiente del codo para evitar posibles peligros. El teleoperador en vuelo libre no tripulado se controla desde el transbordador y su empleo retiene las ventajas de una misión tripulada y además elimina las desventajas derivadas de suministrar sistemas remotos para soportar la vida y de protección contra peligros. McCloy,1987
Figura 1.2 .- Sojourner, NASA, JPL
El primer vehículo teleoperado en la luna fue Lunakhod 1 (Rusia), en los principios de los 70´s este vehículo recorrió 10 kilómetros en 11 días de misión, el problema con este tipo de aplicación es que los sistemas de teleoperación experimentan grandes retardos en sus sistemas de telecomunicaciones,
aunque de aquí a la luna el retardo sea de solo algunos segundos los sistemas de control en lazo cerrado se vuelven inestables, en este caso se usaba método “mueve y espera”, un retardo mucho
mayor lo sufrió el sistema Sojourner de la NASA mostrado en la figura 1.2, el retardo era de 10 a 20 minutos, y este sistema fue teleoperado con éxito durante 7 días marcianos.
Figura 1.3 Sistema de teleoperación espacial
1.5.2 Aplicaciones en la industria nuclear
Son con mucho las más numerosas. La utilidad del sistema de teleoperación radica en poder tratar y manipular sustancias radiactivas, así como moverse por entornos contaminados, sin peligro para el ser humano. Entre sus principales aplicaciones están: manipulación y experimentos con sustancias radioactivas, operación y mantenimiento de instalaciones (reactores, tuberías, instalaciones de elaboración de combustible nuclear, etc.), desmantelamiento y descontaminación de instalaciones, y finalmente actuación en desastres nucleares.
1.5.3 Aplicaciones Militares
Esta área provee muchas posibilidades para los sistemas teleoperados, la mayoría de las tecnologías de teleoperación móvil fueron desarrolladas para aplicaciones militares, las tecnologías aquí usadas van desde sistemas de monitorización remota, hasta el uso de UAV [Unmanned Air Vehicles]
mostrado en la Figura 1.4. Un ejemplo de este tipo de vehículos es el US Air Force Predator mostrado en la Figura 1.5 Cerón A.2005.
Figura 1.4.- UAV.
Figura 1.5.- US Air Force Predator.
Este tipo de vehículos tienen un campo de aplicación muy grande, vigilancia, adquisición de objetivos militares, detección de enemigos, reconocimiento, entre otras, los primeros sistemas de este tipo tenían un lazo cerrado de control, el operador cerraba el lazo, hoy en día gracias a las nuevas tecnologías como el GPS (Global Positioning System) y el control supervisado los vehículos se vuelven cada vez más inteligentes.
Otra área de vehículos de este tipo son los terrestres llamados UGV (Unmanned Ground Vehicle) ilustrado en la figura 1.6, dotados con tecnologías diferentes, como estereovisión así mismo los sistemas de comunicación son muy amplios y rápidos gracias al uso de radio frecuencias, un
ejemplo de vehículos de este tipo es el SARGE (Surveillance And Reconnaissance Ground Equipment) creado por Sandia National Laboratories ilustrado en la Figura 1.7.
Figura 1.6 SARGE, vehículo tipo UGV
Debido al incremento de criminalidad y terrorismo se han creado un cierto tipo de sistemas teleoperados llamados TERROBOTS, que son usados para asegurar bombas, vigilancia, asaltos policíacos entre otros, estos vehículos son teleoperados con un lazo de control cerrado desde una conexión por cable o por radio frecuencia, el equipo del que disponen generalmente son un sistema de visión, cámaras infrarrojas, manipuladores robóticos, armas letales y no letales. Cerón A.2005
Figura 1.7.- Robot Policía
1.5.4 Aplicaciones médicas
Recientemente se ha fortalecido de forma importante la aplicación de las tecnologías de la teleoperación al sector médico. Desde los primeros desarrollos de prótesis o dispositivos de asistencia a discapacitados hasta la más novedosa de la telecirugía, o el telediagnóstico, aunque éste no pertenezca estrictamente al sector de la teleoperación.
Existe mucha literatura en este ámbito entre ellas encontramos un caso particular que llama mucho la atención, la primer cirugía asistida por teleoperación, el escenario es el siguiente; el sistema robótico usado es ZEUS18 Figura 1.8, la parte maestra, esto es del cirujano, estaba situada en la ciudad de NY, en Manhattan, mientras que la parte del esclavo o del paciente estaba en Satrasburgo, Francia, la cirugía fue una Colecistomía Laparoscópica, la operación Lindbergh (apellido del paciente) fue todo un éxito, las telecomunicaciones fueron concedidas por un canal privado de Internet, usando el protocolo UDP/IP, con un retardo promedio de 224 ms. Cerón A.2005.
Figura 1.8 Sistema Quirúrgico ZEUZ.
Además del campo de la cirugía, que es muy llamativo también esta la manipulación de microorganismos, microrrobots y tecnologías que cada día evolucionan.
Un ejemplo típico de este caso es la investigación en el área del genoma humano, en donde se tienen que manipular moléculas del orden de las micras.
1.5.5 Teleoperadores para minusválidos
Miembros Artificiales
El diseño y fabricación de miembros artificiales presenta un reto en particular difícil para el ingeniero. El peso, la confiabilidad, el impulso, el consumo de energía, la facilidad del control, la cosmética y el costo son algunos de los factores que deben tomarse en cuenta. Las restricciones de peso, por ejemplo, son al menos tan severas como las encontradas en el diseño de aeronaves dado que aún cuando el brazo natural tiene una masa cercana a 4kg, una prótesis con una masa superior a 1.5kg sería inaceptable.
La elección de una fuente de poder es otra área debatible. Se observó antes que la energía generada por los movimientos corporales tiene sus atractivos, pero su uso queda restringido a los dispositivos más sencillos. Las baterías eléctricas brindan la forma más ligera y compacta de fuente externa de energía pero estas ventajas pueden verse desplazadas por la masa relativamente grande de la combinación de un motor y una caja de engranes de reducción requerida para cada grado de libertad. Los dispositivos neumáticos, con una masa reducida y una alta respuesta son otros de los
principales contendientes; la potencia en este caso proviene de tanques de gas licuado a presión, generalmente Bióxido de Carbono. Ya sea que se utilicen baterías o tanques es necesario resolver el problema agotamiento y recarga. En la tabla 1.1 se compara el rendimiento de las versiones neumáticas y eléctricas de la prótesis manual Otto Boz. El paquete neumático de fuerza motriz consiste de 48gr de Bióxido de Carbono a 5 Bar, en un tanque con una masa de 350gr y con dimensiones de 36x140mm. La fuerza motriz eléctrica se obtiene de una batería recargable de Níquel y Cadmio de 12V con una capacidad de 450mA, una masa de 280gr y dimensiones de 16x58x150 mm.
Tabla 1.1 Comparación del rendimiento de las versiones neumáticas y eléctricas de la prótesis manual Otto Boz.
NEUMÁTICAS ELÉCTRICAS
Presión /potencial 5 Bar 12V
Apertura máxima 65mm 100mm
Presión máxima de sujeción 7KN/m2 15KN/m2
Velocidad 45mm/s 80mm/s
Masa 340gr 450gr
Número de sujeción por carga 1300 4200
La facilidad del control es otro factor que merece discutirse. Muchos trabajos de investigación se han concentrado en el empleo de señales electromiográficas para el control de los miembros artificiales. Uno de los principales problemas de este tipo de aplicación es la dificultad para obtener suficientes señales de control independientes generadas por el cuerpo para controlar todas las funciones resultantes requeridas. Se ha tratado de solucionar este problema atacándolo desde dos frentes distintos.
En el primero, la amplitud de la señal electromiográfica procesada se utiliza para definir varios estados de salida mediante el empleo de circuitos de frecuencia crítica. Por ejemplo, una señal de alto nivel generada en un cierto lugar puede usarse para impulsar un actuador de codo mientras que una señal de bajo nivel generada en el mismo lugar puede impulsar un accionador de muñeca. Una aplicación impresionante de esta técnica puede verse en las prótesis manuales diseñadas por el grupo de control de la Universidad de Southampton.
Estos dispositivos requieren la sustracción de las señales electromiográficas procesadas provenientes de los músculos antagonistas como los músculos flexor y extensor del brazo, o para amputaciones por encima del codo, el tríceps y el bíceps. Mediante la selección de distintos niveles de esta señal de control el paciente pudo emitir comandos para sujetar, apretar, maniobrar, soltar, y abrir la mano.
Otro método para controlar las múltiples salidas, utiliza técnicas de reconocimiento de patrones. La mayoría de las personas que sufren una amputación que tiene una imagen cortical del miembro perdido es el fenómeno de percepción de un miembro fantasma. La persona que carece de un miembro, al imaginarse los movimientos de éste, envía señales de los músculos restantes o a segmentos musculares que habrían sido utilizados para los movimientos imaginarios del miembro normal. Por ejemplo, una persona con una amputación por debajo del codo que intenta levantar su mano fantasma contrae los músculos con que aún cuenta el muñón del antebrazo.
Se ha demostrado que distintas salidas necesarias como la sección y la extensión de los dedos, generan patrones distintos de señales electromiográficas procesadas para estos músculos.
Problemas en particular difíciles se presentan en caso de personas con amputaciones a niveles superiores que han perdido la mayor parte del brazo. Estas personas requieren prótesis de hombros y brazos, y dado que se han perdido la mayoría de los grupos musculares relacionados con el movimiento del brazo, resulta difícil obtener señales de control directas para accionar cada uno de los grados de libertad de la prótesis. Swain y Nightingale 1981 Plantearon una solución interesante a este problema; en ella el paciente impulsa la mano en coordenadas reales por medio de movimientos del hombro y del resto del cuerpo. La elevación de los huesos del cuello permite levantar la mano, (Z), su movimiento hacia delante y hacia atrás hace que la mano realice un seguimiento espacial (X) y la rotación de la parte superior del cuerpo hacia la izquierda y hacia la derecha hacen que la mano siga en la dirección (Y). Estos movimientos corporales se detectan por medio de potenciómetros montados en un arnés especial. Las transformaciones necesarias de coordenadas reales a coordenadas de máquina se llevan a cabo en un microprocesador.
1987 McCloy, .
1.5.6 Teleoperador para cuadrapléjicos
Uno de los propósitos básicos de los operadores teledirigidos es dar a las personas acceso a regiones que por lo general les resultan inaccesibles. En el caso de los cuadrapléjicos esta región inaccesible es el medio inmediato. Se han desarrollado dos técnicas principales para ayudar a estas personas:
órtesis y teléstesis. La órtesis, en la forma de soportes exoesqueléticos y actuadores impulsados en forma externa, se han usado en la ingeniería de rehabilitación; las órtesis motorizadas controladas
por medio de computadoras han hecho posible mover brazos paralizados para llevar a cabo ciertas manipulaciones. Sin embargo, la construcción de estos dispositivos es difícil y dado que la mayoría de los miembros paralizados no tienen sensibilidad, existe el peligro de que la órtesis o los factores presentes en el ambiente lesionen en forma inadvertida el brazo de la persona incapacitada.
La teléstesis, por otra parte, ofrece un auxiliar útil y práctico para los cuadrapléjicos. Teléstesis es el nombre dado a aquellas clases de sistemas teledirigidos para minusválidos que a diferencia de las prótesis y las órtesis no están acoplados en forma directa al cuerpo del operador.
Es importante que la teléstesis este situada en un ambiente ordenado que este adaptado a la destreza y versatilidad del sistema de manipulación. La persona minusválida se sienta en el centro de este ambiente, en donde puede observar todas las actividades del manipulador.
Los alcances de las actividades deberán contar como limites para evitar que los objetos queden fuera de alcance. Es necesario suministrar espacios de almacenamiento y si estos se encuentran mas allá del alcance del manipulador, entonces será necesario contar con algún tipo de sistema de bandas, charolas o entrepaños móviles para transportar los objetos desde y hacia el espacio de trabajo.
El control de la velocidad parece ser la mejor forma de controlar una teléstesis. En casos de emergencia, el manipulador se detiene en forma rápida cuando se libera la palanca de mando; se puede mantener una cierta posición del manipulador alcanzada posiblemente después de un considerable esfuerzo por parte del operador.
Por lo que respecta la seguridad se determinó que la relación entre el movimiento de la cabeza y los movimientos hacia delante y hacia atrás de las tenazas era importante. En términos ergonómicos parecería que el arreglo más satisfactorio sería uno en el cual las tenazas se movieran en la misma dirección que la cabeza. Sin embargo, esto podría llevar a un sistema inestable. McCloy, 1987
Expansión a través de una computadora.
Algunos de los teleoperadores antes mencionados utilizan computadoras para auxiliar al operador humano. En algunos casos las complicadas transformaciones de coordenadas reales a coordenadas de máquina se delegaron a la computadora, con lo que se redujo en gran medida la dificultad de la tarea que tenía que realizar el operador humano. La expansión de lo sistemas teledirigidos por medio de una computadora ofrecen muchas ventajas, algunas tareas en extremo complejas pueden
imprevisto con la habilidad de la computadora para detectar , almacenar, procesar y repetir señales a través de múltiples canales.
Se han identificado tres niveles principales: control manual, control expandido e inteligencia artificial, con el control manual como ocurre en los teleoperadores maestro-esclavo tradicionales, el operador humano lleva a cabo todas las tareas de medición, procesamiento y control de señales y suministra a todos los comandos requeridos por el sistema. En el otro extremo, el de la inteligencia artificial, el sistema esta por completo bajo el control de la computadora y actúa como un robot autónomo.
Entre estos extremos se aprecia un medio continuo de esquemas de control en los cuales la máquina incrementa la capacidad del operador humano en diversos grados. Existen dos áreas distintas de expansión en el control: control con supervisión y control automatizado. En la modalidad supervisada, el control se transfiere en forma intermitente entre el operador y la computadora, mientras que en el control automatizado el operador humano y la computadora trabajan juntos; cada uno es responsable de una función individual. MaGovern,1977. Describió un experimento relacionado con el control supervisado, en el cual la tarea consistía en sujetar y manipular bloques.
El operador humano tenía que mover el efector final hasta que entraba en contacto con un bloque.
Una vez lograda esta tarea, el conjunto se trasfería del operador a la computadora y se ejecutaba una rutina para sujetar el bloque. Cuando el bloque se sujetaba el control se regresaba al operador humano.
En el otro tipo de ampliación del control, o sea el control automatizado el operador humano y la máquina trabajan en conjunto. El empleo de computadoras para resolver transformaciones complejas es un ejemplo en donde la tarea de manipulación esta integrada por esta responsabilidad dual. Otro ejemplo es la capacidad con que cuentan algunos manipuladores para aplicar un torque suave que les permite aplicar una fuerza a penas suficiente para evitar que los objetos se resbalen. El operador no ejerce ningún control sobre esta función, sino que la misma se delega por completo a la computadora.
En la actualidad la ampliación del control es un tema sujeto a ampliar investigaciones ¿Cuál es el nivel óptimo de ampliación para una tarea dada? ¿Cuál de los papeles de supervisión del ser humano es la más importante: la planeación, la enseñanza, el monitoreo, la intervención? McCloy, 1987 .
1.5.7 Aplicaciones submarinas
Los últimos veinte años han sido testigos de un rápido crecimiento en la explotación del suelo oceánico. Gran parte del trabajo a profundidades de hasta 200m lo han llevado buzos, pero como la mayoría del suelo oceánico se encuentra a profundidades de hasta 3km, las ventajas derivadas de la destreza y flexibilidad de los buzos humanos se están viendo superadas por un creciente número de desventajas. Los buzos expuestos al mar abierto experimentan condiciones extremas de frío y presión; y esta última presenta un problema particularmente difícil. En profundidades mayores a 20m la presión corporal interna del buzo debe aumentarse para igualar la presión hidrostática externa. Esto produce algunos riesgos asociados: una compresión demasiado rápida puede provocar un “síndrome nervioso de alta presión”; una descompresión demasiado rápida puede provocar un ataque de la enfermedad de los buzos (enfermedad de la descompresión).
El suministro de una mezcla adecuada de gases para la respiración del buzo también presenta complicaciones propias. El aire es satisfactorio para profundidades de hasta 50m, pero a mayores profundidades es necesario utilizar helio. El porcentaje de oxígeno debe controlarse, se debe eliminar el contenido de Dióxido de Carbono; se debe evitar envenenamiento por Nitrógeno y es posible que sea necesario recurrir a un desmezclador de helio para compensar los efectos de distorsión de la voz.
Estos problemas pueden evitarse mediante el uso de sumergibles (submarinos tripulados), ya sea para nado libre o dependiendo de una nave nodriza. Estos dispositivos permiten al operador permanecer en la relativa seguridad de una cabina sellada que se mantiene a una temperatura y presión ambientes normales. De hecho, en algunos casos no es conveniente que el operador esté cerca del área de trabajo, por lo que resulta mucho más adecuado contar con sumergibles no tripulados controlados en forma remota desde una nave nodriza. Esto elimina la necesidad de contar con un casco de gran resistencia y un sistema para mantener la vida.
Con los brazos del teleoperador acoplados al sumergible, el operador puede llevar a cabo una gran variedad de tareas. Como en el caso de las aplicaciones espaciales también aquí es necesario, como consecuencia de las fuerzas y pares de reacción, utilizar un retén para anclar al sumergible a la pieza de trabajo. Además, debido a la escasa visibilidad a grandes profundidades y a ciertas aplicaciones en particular es conveniente aprovechar las propiedades reflejantes de fuerza de los operadores bilaterales.
Las aplicaciones submarinas de los teleoperadores pueden clasificarse en tres categorías principales:
científicas, comerciales y militares. Las investigaciones científicas incluyen estudios biológicos botánicos y geológicos. El uso de manipuladores para el muestreo selectivo de rocas, conchas y lodo es preferible a las características de incertidumbre de un dragado.
Las aplicaciones comerciales están dominadas en la actualidad por la construcción y mantenimiento de pozos petroleros, pero existen muchas otras áreas en donde se pueden utilizar teleoperadores submarinos: salvamento, fotografía, construcción de barcos, reparación y mantenimiento de puertos.
En el área militar desde hace tiempo ha existido la necesidad de recuperar armas prototipo y de práctica; la recuperación de la famosa bomba H frente a las costas de España en 1966 motivó importantes investigaciones en el campo de los teleoperadores submarinos. Otra aplicación ya contemplada es el uso de teleoperadores teledirigidos para la operación y mantenimiento de estaciones militares marinas. McCloy, 1987 .
1.5.8 Máquinas Cibernéticas Antropomórficas
Los ingenieros de la General Electric Company propusieron este nombre impresionante para aquella clase de teleoperador en la cual el operador y la máquina están tan estrechamente interrelacionados que pueden considerarse como un solo ente. Dos ejemplos, ambos diseñados por General Electric, el Hardiman una máquina exoesquelética o amplificador humano se construyó en 1966 para aplicaciones militares: El camión caminante que también se construyó con una aplicación militar en mente, dió sus primeros pasos en 1968.
El operador del Hardiman se colocaba dentro de una estructura antropomórfica construida con base en dos mitades unidas a la altura de las caderas. Cada una de las mitades contaba con 15 grados de libertad.
El exoesqueleto era paralelo en todos los aspectos respecto a la estructura humana con la excepción de los antebrazos en donde los brazos del operador eran colineales a los antebrazos del exoesqueleto.
La potencia suministrada desde un sistema hidráulico que operaba con una presión de 200Bar.
Se utilizaron servos electro hidráulicos bilaterales con relaciones de fuerza entre maestros y esclavos.
Con esta amplificación la máquina era capaz de levantar y manipular una masa de aproximadamente 100Kg y transportarla a una distancia de 8m en 10s.
Las máquinas exoesqueléticas son potencialmente peligrosas para el ser humano sobre las que están instaladas. ¿Qué sucedería si faltara el suministro de potencia y la estructura se derrumbara? ¿Qué sucedería si la máquina se tornara inestable? Estos problemas recibieron mucha atención por parte de los diseñadores de General Electric y sus soluciones incluyeron el aseguramiento automático de los accionadores en caso de que faltara la presión así como el enlace físico de los miembros para evitar la acumulación de pequeños errores entre el maestro y el esclavo.
Los trabajos realizados con el Hardiman contribuyeron en forma considerable al avance del programa del camión caminante que se inició aproximadamente al mismo tiempo, el resultado es una máquina con un peso de 1,500Kg, una longitud de 4m y una altura de 4.6m con patas de 2m de largo, capaz de moverse a una velocidad aproximada de 1m/s sobre una superficie nivelada. La máquina se impulsaba con un motor de gasolina de 70Kw.
La máquina seguía los movimientos del operador cuyos brazos y piernas se impulsaban controladores de réplica. Los brazos del operador controlaban las patas delanteras de la máquina y sus piernas las patas traseras. Se utilizaban servos hidromecánicos bilaterales operando a 200bar para multiplicar las fuerzas del operador por aproximadamente 120 y sus movimientos por cerca de 4. El operador debe controlar en forma simultánea 12 servos de posición y responder a fuerzas generadas por 12 actuadores en cada una de las patas de la máquina, la intención es que con la estrecha interrelación entre el operador y la máquina, el operador tiene solamente que realizar un sencillo movimiento de gateo para lograr que el cuadrúpedo se mueva y, al mismo tiempo amplifique y extienda todos sus movimientos. La máquina mostró gran habilidad para andar hacia delante y hacia atrás, para balancearse sobre patas colocadas diagonalmente, para ascender obstáculos, levantar masas de hasta 200kg y dar la vuelta. A pesar de todas estas ventajas el proyecto no pasó de la etapa inicial de construcción del prototipo; se supone que las razones se basaron en la dificultad de los problemas de control enfrentados tanto por la máquina como por el operador.
Otras aplicaciones
La teleoperación también ha entrado con fuerza en otros sectores a los que en principio no estaba enfocada. Entre éstos se pueden citar los siguientes: aplicaciones de construcción y minería, mantenimiento de líneas de tensión, mantenimiento de instalaciones, intervención en desastres naturales y entretenimiento.
La tele-programación, teleoperación y tele-monitorización cada vez se aplican más a la industria, en especial la automoción que la mayoría de sus procesos son líneas robotizadas, los sistemas de control cada día avanzan y con ellos los nuevos paradigmas como la cooperación entre dichos sistemas y el ser humano, mostrando la amplia gama de aplicaciones en este ámbito del conocimiento. McCloy, 1987
1.6 Estado del arte de la teleoperación en el mundo.
Sistemas telerobóticos para mantenimiento de líneas aéreas
El sector eléctrico juega un importante papel en el progreso tecnológico e industrial de un país.
Existen grandes posibilidades para la aplicación de sistemas robóticos en este campo. En las décadas recientes el rápido crecimiento de los países industrializados ha sido posible debido a la contribución de varias compañías. Estas compañías han tenido un alcance en aumento con la industria para suplir la demanda de energía, y a su vez propiciar un servicio de calidad.
Las tareas de mantenimiento en línea viva siempre involucran un riesgo para los trabajadores, riesgo que en ocasiones es inesperado. Frecuentemente la mayoría de las tareas son llevadas a cabo fuera de una red de trabajo eléctrica, dichas tareas pueden ser:
Abrir o cerrar contactos
Establecer nuevas conexiones
Cambiar equipo de línea viva
Inspeccionar el equipo de la línea
Todo este tipo de tareas son ejecutadas manualmente por trabajadores altamente calificados, que usan técnicas que han sido cuidadosamente estudiadas y diseñadas para evitar a los trabajadores el mayor riesgo posible y también para aumentar la eficiencia y disminuir el tiempo de ejecución en las tareas. Dos técnicas que existen para dar mantenimiento a la línea viva son:
Trabajo a Distancia (trabajo indirectamente)
Trabajo Potencial (trabajo directamente)
En la primera técnica el trabajador manipula la línea viva directamente usando diferentes tipos de aislamientos, aislando cuidadosamente los polos con los que va trabajar y en la segunda técnica el operador trabaja tocando la línea viva directamente, sin embrago; ciertas áreas son cubiertas con aislamientos con motivo de prevenir descargas eléctricas, y el contacto con diferentes líneas es con guantes apropiados para la tarea. Esta técnica también puede llevarse a cabo, en un cubo aislado donde el trabajador se introduce. Algunas otras técnicas incluyen el uso de helicópteros para sostener el cubo con el trabajador dentro, pero la desventaja de esta técnica es que es muy cara con respecto a las anteriores.
Telerobots para líneas vivas.
Consideraciones para trabajadores de línea viva
La posibilidad del manejo de electricidad por distribución aérea y transporte de líneas (sin interrupción de la energía eléctrica) depende de la legislación de cada país. En España por ejemplo es posible realizar las diferentes tareas de mantenimiento en líneas aéreas sin desconectar previamente la energía eléctrica. En algunos otros países, la interrupción de energía eléctrica debe ser total antes de que el trabajador comience con las tareas de mantenimiento. Los riesgos a los que se exponen los operadores asociados con esas tareas son: descargas eléctricas, exposición a campos magnéticos y caídas de alturas considerables del lugar de trabajo. Todos estos aspectos han sido estudiados a profundidad para reducir las peligrosas condiciones a las que se enfrenta el trabajador.
Sin embargo; en años recientes estos aspectos se han perfeccionado gracias a las adaptaciones de una nueva tecnología: el robot teleoperado. Con esta nueva tecnología ha sido posible eliminar los riesgos de descargas eléctricas y caídas, además de que también ha facilitado el trabajo al operador mientras realiza su tarea.
Una importante operación que necesita ser robotizada es el mantenimiento de línea viva, aunque en el presente sólo se han presentado pequeños prototipos que han sido desarrollados, pero que sus aplicaciones no han sido aún extendidas para el desarrollo óptimo de algunas compañías. Los elementos que caracterizan el mantenimiento de línea viva de lo sistemas que actualmente existen en el mercado son:
Los trabajadores son llevados fuera dependiendo el riesgo de la línea viva, todo esto para evitar cortos circuitos y prevenir el contacto entre diferentes elementos con riesgo; por ejemplo dos líneas no pueden ser tocadas simultáneamente por el mismo manipulador.
Aunque es posible saber acerca del ambiente de trabajo, no es posible saber la posición precisa de cada uno de los elementos.
El lugar de las torres y líneas es un factor determinante en el trabajo de mantenimiento. El acceso a estos lugares frecuentemente presenta algunas dificultades, y es propicio utilizar un vehículo para acceder.
Todos los sistemas basados en robots teleoperados, donde siempre hay un operador humano en diferentes grados de supervisión. Para estos casos, los sistemas telerobóticos son considerados una poderosa herramienta de la cual los trabajadores han sido beneficiados.
De acuerdo con las anteriores características, un sistema teleoperado tienen las siguientes ventajas:
La seguridad y la comodidad para los trabajadores, es mayor porque las labores de mantenimiento son llevadas a cabo por robots, lo cual reduce el riesgo de manipulación. Las tareas son monitoreadas a distancia.
Reducción de costos en los trabajos de mantenimiento.
Alto grado de estandarización y sistematización de tareas de mantenimiento debido al procedimiento programado por los robots.
Aunque estas ventajas justifican completamente la implementación de estos sistemas la realidad de economía finanzas y ambiente de trabajo han tenido un efecto de limitación sobre la introducción de nuevos prototipos en este sector. Aracily Ferre,2002.
Sistemas desarrollados para línea viva
En la década de los 80´s el sector eléctrico usaba tecnología de teleoperación para desarrollar nuevos procedimientos para las tareas de mantenimiento en transporte aéreo y distribución de líneas.
Algunos sistemas robóticos semiautomáticos han sido diseñados alrededor del mundo, países como Estados Unidos, Japón, Francia, Canadá y España; han desarrollado prototipos robóticos para este tipo de tareas. La mayoría de estos prototipos han comprendido de robots los cuales son teleoperador dentro de una cabina aislada de la energía eléctrica.
A fines de los 80´s, Japón desarrolló algunos sistemas telerrobóticos para línea viva de 6.6KV. A principios de los 90´s Aichi Inc. AichiInc,1993 diseñó un sistema telerobótico con dos robots hidráulicos los robots eran guiados por el operador que se encontraba situado a una distancia remota del área de trabajo. Shikoku Electric Power Co desarrolló un brazo hidráulico controlado desde un cubo aislado para ejecutar las tareas de mantenimiento; el sistema también esta completamente incorporado a un equipo de herramientas para manipular la línea viva.
Desde mediados de los ochenta, Electric Power Research Institute (Instituto Eléctrico de Investigación de Energía) EPRI, en los Estados Unidos ha trabajado sobre un sistema llamado TOMCAT. El primer prototipo consistía en un robot hidráulico teleoperado desde una cabina localizada a distancia, el sistema fue diseñado para trabajar con líneas de un rango de 50 a 345 kv, el sistema también es capaz para trabajar con líneas aéreas a una altura considerable.
En Canadá, Hydro-Quebec Research Institute (Instituto de Investigación Hidroeléctrico de Québec) desarrolló un sistema conformado de dos robots hidráulicos teleoperados desde una cabina aérea los cuales se auxiliaban de un brazo capaz de alcanzar largas distancias. El sistema podía operarse en líneas de distribución de 25 kv.
En Francia dos proyectos para mantenimiento de líneas vivas han sido comenzados pero no han tenido resultados aún. El primero fue llevado a cabo por EDF en 1990 pero fue cancelado años después. Aracily Ferre,2002.
ROBTET: Sistema telerobótico para mantenimiento de redes de trabajo
El sistema ROBTET ilustrado en la Figura 1.9 ha sido diseñado para llevar a cabo tareas de mantenimiento en líneas de distribución mayores a 69 kv. Todos los componentes son instalados sobre una camioneta 4x4 con una potencia de 230 HP los cuales son sostenidos por medio de un sistema hidráulico y un generador eléctrico de 10 kw.
Figura 1.9.- Vista general del sistema ROBTET. [Aracil y Ferre, 2002]
El sistema ROBTET trabaja con un modo de control semiautomático donde el operador manda comandos desde la cabina de la camioneta y este recibe la información a distancia del ambiente de trabajo. Los telemanipuladores y herramientas son colocados en una plataforma a distancia la cual es aislada cuidadosamente, esta configuración provee al operador condiciones completamente seguras.
2002 Ferre, y
Aracil .
Sitio de trabajo del operador
El sitio de trabajo del operador es colocado en una cabina sobre la camioneta. La cabina del operador tiene elementos para realizar la interfaz y computadoras para el control. Las computadoras procesan la información para lograr la interfaz entre el operador y los elementos que se estén
manejando a distancia. La interfaz del operador contiene los siguientes elementos.
2002 Ferre, y
Aracil .
Dos brazos maestros Un monitor
Un micrófono
Un monitor estereoscópico Diferentes elementos auxiliares
Brazos maestros
Los dos brazos maestros tienen un sistema de retroalimentación y fueron desarrollados por Kraft Telerobotics los cuales tienen 6 grados de libertad y son usados para guiar los manipuladores y reflejar las fuerzas del operador. Los dos tipos de fuerzas que pueden reflejar son:
1.- Reflejar fuerzas de interacción las cuales son obtenidas por la aplicación mesurada de torque de alguno de los manipuladores esclavo
2.- Fuerzas virtuales que parten del módulo de colisión. Cuando un manipulador esta cerca de un sitio de diferente potencial este módulo genera una fuerza de repulsión evitando así un corto circuito.
Los brazos maestros tienen sus propios controladores, cada controlador implementa un algoritmo de control bilateral entre el brazo maestro y el manipulador esclavo. El manipulador esclavo es guiado de acuerdo a la posición del brazo maestro; y la fabricación de este proporciona un sistema de control al brazo maestro la cual es proporcional con el telemanipulador de 10/1. Este modo de operación ha sido perfeccionado agregando al brazo maestro nuevas fuerzas generadas por el algoritmo de la computadora de control. La información transmitida entre el brazo maestro y el telemanipulador es registrada por la computadora de control, el dato que es transmitido contiene la posición y el torque del telemanipulador, esta información es enviada a un ambiente de modelado en una PC donde fuerzas virtuales son generadas por un proceso de detección y que a su vez se registran en esta información para mover así los manipuladores.
Monitor
El monitor muestra una simulación gráfica acerca de la tarea que se esta realizando, esta imagen es tomada por una cámara panorámica la cual tiene tres grados de libertad.
Esta cámara muestra imágenes detalladas y generales que ofrecen al operador escenas panorámicas y vistas específicas. Estas imágenes proveen al operador un alto grado de telepercepción.
El operador puede ver una simulación gráfica de la tarea y la información paso a paso de lo que se esta ejecutando, esta información es manejada por una base de datos que incluye la posición y la descripción geométrica de los principales elementos que se manejan a distancia.
Monitor estereoscópico
El monitor estereoscópico muestra imágenes de las cámaras situadas en cada manipulador esclavo.
Estas cámaras muestran imágenes detalladas y dan al operador una excelente percepción del ambiente de trabajo. El operador debe de usar unos lentes especiales para ver las imágenes estereoscópicas como se muestra en la Figura 1.10. El operador solamente puede ver una imagen a la vez de las dos cámaras estereoscópicas y después debe seleccionar la imagen apropiada. La selección entre las cámaras estereoscópicas depende del punto de vista que el operador desea tener, el cambio de cámaras lo puede realizar mediante un comando de voz.
Figura 1.10 Cabina de Operación.
Las imágenes mostradas en la pantalla son desplegadas alternativamente sincronizadas por los lentes del operador de acuerdo a la secuencia que él elija, estas cámaras pueden mostrar cien imágenes por segundo. Las imágenes estereoscópicas son muy útiles para el operador porque de estas dependen que el manipulador realice movimientos precisos.
Micrófono
El micrófono es usado para enviar comandos de voz a la interfaz y también para tener una comunicación externa walkie-talkie. La interfaz de voz es una poderosa herramienta para el operador porque eso le permite que el uso de sus manos sea destinado al manejo de los manipuladores, mientras que el resto de los comandos son realizados por medio de la voz.
Algunos elementos auxiliares son las alarmas que se localizan en las plataformas de trabajo y están conectadas a la cabina de operación, las alarmas pueden informar acerca del nivel de carga y de otras anomalías del sistema de trabajo.
Control computarizado
El sistema de control computarizado es usado en el proceso de intercambio de información entre el operador y la estación remota. La computadora incluye dos elementos específicos indispensables:
una para el sistema de reconocimiento de voz y la otra para el procesamiento de imágenes. El sistema de reconocimiento de voz captura las palabras articuladas por el operador y envía el correspondiente comando para el apropiado proceso y la imagen desplegada en la pantalla por la cámara panorámica es convertida en una imagen gráfica para la simulación. Aracily Ferre,2002.
ROBOGUARD, un robot de seguridad móvil teleoperado
El llamado RoboGuard se desarrolló en conjunto entre Quadrox, una compañía belga de seguridad, (SME) y las dos academias A1-lab de la Universidad de Bruselas y el centro interuniversitario de microelectrónica (IMEC). EL RoboGuard permite el monitoreo remoto a través de una plataforma móvil usando cámaras y sensores. RoboGuard es un suplemento y frecuentemente una alternativa para la vigilancia es decir cierra un circuito de televisión donde se puede observar lo que el móvil esta monitoreando. Para fines de seguridad el RoboGuard transmite video con cámaras que tienen un software especial para decodificar. El IMEC es responsable de darle esta característica al RoboGuard. De acuerdo con los recientes estudios el servicio de seguridad con robots ha demostrado que tienen cierta fiabilidad.
Arquitectura del software
RoboGuard, mostrado en la Figura 1.11, es teleoperado a través de una red de trabajo controlada por humanos.
El principal problema para aplicaciones telemáticas es tener un software adecuado el cual soporte los diferentes tipos de procesos. Para RoboGuard se utiliza un sistema de rutina de tiempo que consiste en tres ciclos maestros entrelazados; T0, T1 y T2 corriendo en tiempos perdidos a 125 Hertz. T0 incluye elementos de FSQ los cuales estabilizan el control de tiempo real. Sobre el RoboGuard T0 involucra el movimiento y el control del motor así como la posición.
T1 es llamado el campo de trabajo el cual es orientado para estabilizar los procesos entre los sensores y los motores. El comportamiento del RoboGuard puede ser usado para mantener la trayectoria y evitar obstáculos.
Figura 1.11 RoboGuard.
Para el control de los movimientos, se basa en datos odométricos que activan las tarjetas de validación del control de los motores. Para diferentes tipos de robots estas son algunas características:
PID (control de la velocidad de las llantas) Posición de orientación odométrica Trayectoria rotacional y trasnacional Interrupción en caso de emergencia
Estos elementos especialmente permiten incluir un módulo de emergencias el cual facilite un paro del robot en un caso extremo. Este sistema trabaja cuando se desactiva el sistema de movimiento del móvil y por lo tanto la base queda protegida de posibles daños. Birk y kenn,2002 .
El hardware implementado para el sistema
La implementación del hardware para el RoboGuard es basado en el sistema CubeSystem, y el A1- Lab lo cual permite al robot que sea más flexible en cuanto al hardware (Figura 1.12). En varias plataformas de experimentación ha sido utilizado el A1-Lab desde mediados de los ochenta y hasta la actualidad. Este hardware es basado en el Microprocesador MC68332, el cual es muy compacto físicamente. RoboCube has sido diseñado con una arquitectura lo cual le permite agregar infinidad de interfaces motor-sensor, pero la mayoría de las aplicaciones para el set de interfaces es también muy completa. Los elementos que contiene son lo que se mencionan a continuación:
24 convertidores analógico- digital 6 convertidores digital-analógico
16 entradas/salidas para puertos digitales 7 canales de temporizadores TPC
3 controladores para motores de CD
Figura 1.12 RoboCube.
Arquitectura para un robot teleoperado: Desarrollo y aplicaciones prácticas
El proceso del dominio de la ingeniería convierte todas las actividades requeridas encaminadas a construir un software que se familiarice con todos los sistemas. Este proceso es aplicado en todos los sistemas de referencia de la arquitectura de los robots teleoperados. Las actividades que caracterizan este proceso son las siguientes:
Análisis. Para identificar todos los componentes que son más comunes para aplicaciones de teleoperación.
Diseño. Para obtener un diseño genérico basado en el resultado previo del análisis de los diseños comunes.
Implementación del diseño. Basado en el uso de los componentes que van a ser utilizados para el modelo final.
A continuación se definen las características del modelo de referencia para sistemas teleoperados:
Representación Gráfica. Este subsistema es para mostrar al operador el estado actual del robot y el ambiente en el cual esta operando. Esto proporciona operaciones para la inicialización del robot de acuerdo a la información recibida por la unidad de control remoto.
Detección de colisiones. Este subsistema provee las funciones requeridas para verificar el clima.
Interfaz del usuario. Es activado para realizar la interacción con el operador. Permite el uso de diferentes comandos para que el robot conozca su estado de ejecución.
Comunicación. Este subsistema involucra todo el protocolo de comunicación con la unidad de control remoto.
Controlador. Es un sistema para ejecutar los comandos indicados por el usuario de los comandos que este envía al robot.
En este tipo de sistemas es común tener un robot con diferentes tipos de controladores y es muy útil para el caso de mover algún brazo robótico adicional.
Refinamiento del modelo de referencia
Para realizar una arquitectura de referencia es necesario especificar como los diferentes componentes van a interactuar. Para este tipo de propósito lo más conveniente es basarse en las características de interacción entre los componentes y seleccionar apropiadamente el estilo de la arquitectura, lo cual va a definir el control del tiempo y el modo de transferencia de datos. El uso del estilo de la arquitectura permite definir el sistema adecuadamente para entender los eventos y mecanismos que van a interactuar. Esto ayuda a desarrollar el sistema deseado.
Dos tipos de arquitectura han sido usados para definir la interacción entre los componentes: cliente- servidor y proceso de comunicación, de acuerdo a la clasificación en Bass,1998, la del tipo cliente servidor es apropiada cuando existe un componente el cual provee un servicio o alguna otra necesidad. Esto permite que el servidor o el cliente puedan cambiar o definir los elementos de diseño que ellos desean.
En este caso se permite la interacción entre la representación grafica y los componentes de detección de colisiones junto con los componentes controladores. El primer elemento ofrece el servicio para mostrar el estado del robot. El segundo verifica el clima y el movimiento del robot como resultado de una colisión. En estos dos casos las interfaces son implementadas a base de mensajes, la interacción es asíncrona porque el controlador no puede ser bloqueado por un largo tiempo, mientras espera que el servicio sea completado.
El proceso de comunicación es usado para lograr la interacción entre la interfaz del usuario y los componentes del controlador. Esto es debido a que no es necesaria una relación de causa y efecto entre las interacciones, ya que ninguno de los componentes puede tomar la iniciativa para enviar la información. Por ejemplo considerando la información que los componentes de comunicación envían al controlador los cuales pueden ser periódicos, estado de la información o activación de alarmas causadas por algún inesperado comportamiento del robot. Por otro lado el controlador puede enviar comandos al robot al mismo tiempo. Un controlador envía mensajes esporádicos para usar la interfaz cuando el estado del robot cambia u ocurre un fallo en el sistema del robot. El usuario envía comandos al controlador cuando el comportamiento de este lo requiere.
El sistema ROSA
El Remotely Operate Service Arm (Brazo de Servicio Operado Remotamente) ROSA, es un sistema que provee una interfaz al usuario para controlar remotamente un brazo con 6 grados de libertad.
Diferentes herramientas son usadas para verificar y reparar los tubos en las generadoras de vapor.
La plataforma de desarrollo fue hecha por Hewlett Packard 9000 modelo 725 operando en conjunto con el sistema HP-UX. El área local de trabajo conecta la plataforma de teleoperación con la unidad del control del robot. El controlador remoto es en base a un procesador Heurikon HK68/V30XC con un bus VME, un amplificador y diferentes tipos de tarjetas de control .
Robot móvil teleoperado (RMTO I)
En la Universidad Nacional de Colombia se tiene cuenta del desarrollo del robot móvil teleoperado (RMTO I) mostrado en la Figura 1.13, lo novedoso de este robot es la utilización de visión remota, ya que no se tiene cuenta de trabajos anteriores en Colombia que la incorporen en la estación de teleoperación. Cerón,2005 .
Figura 1.13 Robot móvil teleoperado (RMTO I).
