Expo congreso

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TELECONTROL HÁPTICO DE BRAZO ROBOT Desarrollo del Proyecto

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TELECONTROL HÁPTICO DE BRAZO ROBOT

Desarrollo del Proyecto

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Proyecto Terminal

Integrantes del equipo Alvarado Juarez Diego Armando Butrón Castañeda Marco Antonio Díaz Loyo Diego González García Luis César

Asesor Ing. Israel Vázquez Cianca

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Contenido

Necesidad Función Justificación Antecedentes Análisis Funcional Diseño Conceptual Diseño a detalle

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Necesidad, función

Diseñar una herramienta para realizar pruebas de manipulación a distancia con retroalimentación de fuerzas.

Controlar de manera remota un manipulador con una interfaz háptica.

Necesidad Función

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Justificación

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.

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La teleoperación es el conjunto de tecnologías enfocadas a la operación o gobierno a distancia de un dispositivo por un ser humano (Nuño, 04).

Antecedentes

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Teleoperación

Primer Telemanipulador Maestro- Esclavo Mecánico (Nuño, 04)Fotografía correspondiente a Raymond Goertz manipulando químicos a través

de un cristal de protección, hecha en 1948 en el Laboratorio Nacional de Argonne USA

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Teleoperación

Lunokhod 1 Department of Lunar and Plannetary Research http://selena.sai.msu.ru/ [Accesado enero 2010]

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Teleoperación

Robot NEATER 660 Disponible en http://proton.ucting.udg.mx [Accesado febrero 2010]

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Teleoperación

Maestro- Esclavo “Robotic-Assisted Surgery” Da Vinci (Intuitive Surgical, Inc., 05)

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Háptica es aquello que hace de interfaz para el usuario mediante el sentido del tacto usando fuerzas, vibraciones y desplazamientos (IEEE Symposium, 04).

Háptica

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Háptica

Háptica Humana- Percepción- Cognición

- Neuropsicología

Háptica de computadoras- Modelado

- Interpretación- Estabilidad

Háptica de Máquinas- Diseño de dispositivos

- Sensores- Comunicación

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Háptica

Dual Shock 3 http://www.sonystyle.com [Accesado febrero 2010]

Wiimote http://www.wiinintendo.net [Accesado febrero 2010]

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Háptica

DMREI (Sanabria, 2007)

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Háptica

“El único limite de las aplicaciones hápticas esta dado por el poder de nuestras mentes” (Robles de la Torre, 06)

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Teleoperación háptica

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Teleoperación háptica

Robonaut cargando pesa. NASA http://robonaut.jsc.nasa.gov/ [Accesado febrero de 2010]

Robonauts utilizando herramientas. NASA http://robonaut.jsc.nasa.gov/ [Accesado febrero de 2010]

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Análisis Funcional

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Análisis Funcional

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Clasificación de los Requerimientos

Tipo de requerimiento Requerimientos/ExpectativasEconómicos Bajo costoFuncionales Entradas/Salidas analógicas (Medir magnitudes físicas)

Paro total en caso de emergenciaConfiguración cinemática similar al brazo humanoAfectar poco al sistema con retardosAncho de banda suficiente para realimentar de manera realistaSolo una mano requerida para su operaciónIntuitivo para el operadorLimitar fuerzas y velocidadesEvitar vibraciones o movimientos involuntariosSentir las fuerzas que actúan en el esclavoReproducir de manera confiable los movimientos del maestroCarga de trabajo de 2 kgDebe tener una pinza de propósito general (Gripper con dedos)Accionamiento eléctrico (motores de C.D.)Fácil de mover o frenarBuena manejabilidad

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Clasificación de los requerimientos

Tipo de requerimiento Requerimientos/Expectativas

De apariencia

De manufacturabilidad e instalación Fácil instalaciónFácil mantenimientoDurable

De conservación Que sea Resistente

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Clasificación de los requerimientos

Obligatorios Deseables

Entradas/Salidas analógicas (Medir magnitudes físicas)Afectar poco al sistema con retardos

Ancho de banda suficiente para realimentar de manera realista Buena manejabilidad

Configuración cinemática similar al brazo humanoResistente

Desactivable en caso de emergenciaDurable

Limitar fuerzas y velocidadesIntuitivo para el operador

Evitar vibraciones o movimientos involuntariosBajo costo

Sentir las fuerzas que actúan en el esclavoFácil mantenimiento

Reproducir de manera confiable los movimientos del maestroFácil instalación

Carga de trabajo de 2 kgSolo una mano requerida para su operación

Debe tener una pinza de propósito general (Gripper con dedos) Que sea Resistente

Accionamiento eléctrico (motores de C.D.)

Fácil de mover o frenar

Instalable en cualquier aula de la ESIME Azcapotzalco (Volumen de trabajo)

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Orden de importancia de los requerimientos deseables

No. Requerimiento % Σ+

D3Afectar poco al sistema con

retardos22.22 8

D9 Buena manejabilidad 19.44 7

D8 Resistente 16.67 6

D7 Durable 13.89 5

D6 Intuitivo para el operador 8.33 3

D4 Bajo costo 8.33 3

D2 Fácil mantenimiento 5.56 2

D1 Fácil instalación 2.78 1

D5Solo una mano requerida

para su operación2.78 1

Total 100 36

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Traducción a términos mensurables de ingeniería

No. Requerimiento Termino mensurable

1 Entradas/Salidas analógicas (Medir magnitudes físicas)Poseer elementos de sensado de fuerza [N], posición [cm][grados],

velocidad[m/s]

2 Desactivable en caso de emergencia Contar con mecanismos de emergencia. (botón de paro) [#]

3 Fácil instalación Tiempo de instalación corto. [hr]

4 Fácil mantenimiento

Disponibilidad de refacciones

Tiempo de adquisición de refacciones[dd]

Mantenimiento Tiempo promedio del mantenimiento de rutina[hr]

5Configuración cinemática similar al brazo humano

Morfología articular. GDL [#]

6Velocidad de movimiento inferior a la de un brazo humano al

realizar una tarea estándar. [m/s]

7Afectar poco al sistema con retardos Afectar al sistema de manera minima con el tiempo de retardo[s]

Ancho de banda suficiente para realimentar de manera realista. Ancho de banda que permita una buena realimentación. [Hz]

8 Bajo costoCosto por el material no excesivo. Pesos [MXN]

Tiempo de manufactura no genere altos costos [hr]

9 Solo una mano requerida para su operación Operable a una mano. [#]

10 Intuitivo para el operador Tiempo para aprender a utilizar el dispositivo corto [hr]

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No. Requerimiento Termino mensurable

11 Limitar fuerzas y velocidades

Fuerza máxima que se pueda ejercer equiparable al brazo humano [N]

Velocidad máxima que no sobrepase a la del operador [m/s]

12 Evitar vibraciones o movimientos involuntarios Filtración de movimientos rápidos

[m/s]

13 Sentir las fuerzas que actuan en el esclavo Realimentación de las fuerzas de

oposición en el maestro [N]

14 Reproducir de manera confiable los movimientos del maestroBuena fiabilidad de posicionamiento.

[% de error]

15 Carga de trabajo de 2 kgSoportar la carga máxima en el

efector final [Kg]

16 Debe tener una pinza de propósito general (Gripper con dedos) Contar con efector final con dedos [#]

17 Durable Tiempo [años]

18 Instalable en cualquier aula de la ESIME Azcapotzalco (Volumen de trabajo) Volumen [m^3]

19 Resistente

ImpactosResistente a impactos imprevistos.

[N]

DeflexiónCapaz de deflexionarse para

proteger el mecanismo [mm], [grados]

20 Accionamiento eléctrico (motores de C.D.)Contar con un torque capaz de mover la estructura y la carga deseada [Nm]

21 Fácil de mover o frenar Fuerza[N], Momento de Inercia [N*m]

22 Buena manejabilidad

Fricción que no impida el movimiento de operación. Fuerza [N], coeficiente

de fricción

Peso soportado por el usuario insignificante [N]

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Herramienta que ayuda a conjugar y a ponderar los requerimientos del cliente y los términos mensurables de ingeniería para obtener las metas de diseño.

Casa de la Calidad

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Términos

mensurables

Poseer elemento

s de sensado de fuerza

[N], posición

[cm][grados], velocidad

[m/s]

Contar con

mecanismos

de emerge

ncia. (botón

de paro)

[#]

Morfología

articular. GDL

[#]

Velocidad de

movimiento inferior a la de un

brazo humano

al realizar una tarea estándar.

[m/s]

Fuerza máxima que

se pueda ejercer equiparable al brazo

humano [N]

Filtración de

movimientos

rápidos [m/s]

Realimentació

n de las

fuerzas de

oposición en

el maestro [N]

Buena fiabilidad de

posicionamiento.[%

de error]

Soportar la

carga máxima en el efector

final [Kg]

Contar con

efector final con

dedos [#]

Volumen [m^3]

Contar con un torque capaz de mover la

estructura y la carga deseada

[Nm]

Requerimientos

OBLIGATORIOS

Entradas/Salidas analógicas (Medir magnitudes físicas)   5 3 5 5 5 5 5 3 5 1 3 5

Desactivable en caso de emergencia   3 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Configuración cinemática similar al brazo humano   5 1 5 5 5 5 3 1 3 5 3 3

Limitar fuerzas y velocidades   5 1 5 5 5 5 3 3 5 1 1 3

Evitar vibraciones o movimientos involuntarios   5 1 5 5 5 5 5 5 5 1 1 5

Sentir las fuerzas que actuan en el esclavo   5 1 3 3 3 5 5 5 5 3 1 5

Reproducir de manera confiable los movimientos del maestro   3 1 1 1 3 5 5 5 1 1 1 1

Carga de trabajo de 2 kg   5 1 3 3 5 5 5 1 5 1 1 5

Debe tener una pinza de propósito general (Gripper con dedos)   1 1 5 5 1 1 3 1 1 5 1 3

Instalable en cualquier aula de la ESIME Azcapotzalco (Volumen de trabajo)   3 1 3 3 1 1 1 1 1 1 5 3

Accionamiento eléctrico (motores de C.D.)   5 1 3 3 3 5 5 1 5 3 3 5

Fácil de mover o frenar   5 1 5 5 5 5 5 3 5 3 1 5

Metas de Diseño 0-20 NMínimo

2Mínimo

30,05 - 0,15

m/s20 N

Filtrar velocidades fuera del rango .05 - .15 m/s

0 - 20 N < 10 % 2 KgMínimo

21 - 8 m^3

Torque capaz de

mover carga máxima de

40 N

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Casa de la calidadTérmino

s mensura

bles

Afectar al sistema de

manera minima con el

tiempo de retardo[s]

Fricción que no

impida el movimient

o de operación. Fuerza [N], coeficiente de fricción

Resistente a impactos imprevisto

s. [N]

Desgaste mínimo.

Distancia [micras]

Tiempo para

aprender a utilizar el

dispositivo corto [hr]

Costo por el material

no excesivo.

Pesos [MXN]

Tiempo de adquisició

n de refaccione

s[dd]

Tiempo de instalación corto. [hr]

Operable a una mano.

[#]

Requerimientos

DESEABLES

Afectar poco al sistema con retardos 22.22% 5 3 1 1 1 3 1 1 1

Buena manejabilidad 19.44% 3 5 1 3 1 3 1 1 1

Resistente 16.67% 1 1 5 5 1 3 1 1 1

Durable 13.89% 1 3 5 5 1 3 3 1 1

Intuitivo para el operador 8.33% 1 1 1 1 5 1 1 3 5

Bajo costo 8.33% 3 3 3 3 1 5 5 3 1

Fácil mantenimiento 5.56% 1 1 1 3 1 5 5 3 1

Fácil instalación 2.78% 1 1 1 1 3 3 3 5 1

Solo una mano requerida para su operación 2.78% 1 1 1 1 5 1 1 1 5

Metas de Diseño < .5 sBaja

fricción

Que resista

hasta 20 N

Duracion minima de

5 años

< 30 minutos

$ 300 000 1-3 días < 2 horas 1 mano

Page 30: Expo congreso

• Por Factibilidad• Por disponibilidad tecnológica• Con base en los requerimientos del cliente• Por matrices de decisión

Aplicación de los Filtros

Page 31: Expo congreso

Dispositivo Maestro

ti   Maestro                 

Funciones 

Representar fuerzas  Transmitir

movimiento

  Sensar  Controlar

      Velocidad Posición                     

Soluciones

  Servomotor C.A.   Cadena   Tacogenerador Potenciómetro   PIC

 Servomotor de imanes

permanentes  Banda

 Sensor Doppler Resolvers

 AVR

  Motor a pasos   Cable   Girómetro Giroscopio   PC

 Frenos mecánicos

 Engranes

 Encder Absoluto Encoder Absoluto

 PLC

  Cilindro Hidráulico       Encoder Incremental Encoder Incremental    

  A.H. Angular              

  A. N. Lineal              

  A.N. Angular              

  Servomotor C.D.              

Page 32: Expo congreso

Dispositivo Esclavo

   Esclavo

 

Funciones

 Representar movimientos

 Transmitir movimiento

  Sensar  Controla

r      Velocidad PosiciónFuerza  

      Par Presión  

                       

Soluciones

 Servomotor C.A.

 Cadena

 Tacogenerador Potenciómetro Dinamómetro Termopar

 PIC

 

Servomotor de imanes permanentes

 

Banda

 

Sensor Doppler Resolvers Sensor de fuerza y par multieje Piezo resistivo

 

AVR

 

Motor a pasos

 

Cable

 

Girómetro Giroscopio Galgas extensiómetricas

Galgas extensiómetricas

 

PC

 Frenos mecánicos

 Engranes

 Encoder Absoluto Encoder Absoluto

     PLC

 Cilindro Hidráulico

  

 

Encoder Incremental

Encoder Incremental

       

  A.H. Angular                  

  A. N. Lineal                  

  A.N. Angular                  

 Servomotor C.D.

  

             

                       

Page 33: Expo congreso

Dispositivo de Comunicación

    Comunicación

               Funciones 

  Enviar y recibir datos  Conectar

 Protocolo

  Alambrica Inalambrica               

Soluciones

  Fibra óptica Bluetooth   Ethernet   HTTP

  Cable Coaxial Infrarrojo   Puerto Serial   FTP

  Par trenzado Wi-Fi   USB   TCP/IP

        FireWire   P2P

            RS232

Page 34: Expo congreso

Animación Concepto Ganador

Representación de los dispositivos Maestro y Esclavo

Page 35: Expo congreso

Diseño a Detalle

Page 36: Expo congreso

Dicen que por ser Ingeniero soy ignorante,

y tienen razón…

…ignoro mis limitaciones.

(Cianca, 2010)