Desarrollo de una interfaz kinestésica paralela y experimentación en control de sistemas hapticos y teleoperados

Abstract

La teleoperación comprende el conjunto de tecnologías que permiten a un operador la realización de tareas a distancia, teniendo su aplicación específica en el desarrollo de tareas en entornos que conlleven un riesgo al operador o bien sean inaccesibles por éste. Tanto la teleoperación de robots reales como la exploración y manipulación de entornos virtuales está tomando de nuevo una gran importancia dentro de los grupos de investigación en robótica, gracias, entre otras cosas, a las aportaciones de nuevos algoritmos de control basados en el conocimiento de los modelos dinámicos de los dispositivos involucrados y al incremento de la capacidad de cálculo de los ordenadores actuales. Sin embargo, la experimentación con estos nuevos esquemas de teleoperaci ón se encuentra reducida a simulaciones con modelos dinámicos sencillos o a sistemas mecánicos sencillos, debido principalmente a la falta de dispositivos “abiertos” a los cuales se les pueda modificar sus esquemas de control. La presente Tesis pretende cubrir este espacio aportando los conocimientos necesarios para la implantación de plataformas de teleoperación constituidas por dispositivos abiertos, y ahondando en el estudio de los esquemas de control bilateral existentes. Como primer objetivo para disponer de dicha plataforma experimental se ha diseñado, modelado e implementado un dispositivo háptico abierto, de configuración paralela y con cadena cinemática 6-URS. Se han desarrollado los modelos y algoritmos necesarios para el control de dicho dispositivo, de manera que sea capaz de funcionar tanto como display de impedancias o como display de admitancias. La utilización de una formulación elegante basada en la dinámica multicuerpo ha permitido la obtención de los modelos cinemáticos y dinámicos necesarios para el diseño de las diferentes estrategias de control. La interfaz de dicho dispositivo debe cumplir con los requisitos especificados para la plataforma de teleoperación. Para completar una plataforma de experimentación lo más generalista posible, y a su vez simplificar los problemas de sincronización de las tareas entre el entorno local y el remoto ha sido necesario el desarrollo de un simulador dinámico de robots que permita experimentar en tecnología haptics. Entre las características de este simulador se encuentran la inclusión del modelo dinámico del robot esclavo, el tratamiento de colisiones y fuerzas generadas y la fácil implementación de esquemas de control. De igual forma se ha desarrollado el procedimiento necesario para disponer de un robot esclavo en lazo abierto. Se ha procedido a la “apertura” de los servos de un robot comercial y se presenta un procedimiento para la identificación de los parámetros del modelo dinámico de dicho robot serial. La disponibilidad de dispositivos maestro y esclavo abiertos (reales o virtuales) permite la implementación y experimentación con diferentes esquemas de control bilateral, constituyendo as´ı una interesante herramienta para futuros desarrollos.

Teleoperation includes the integrated technologies that allow the operator to make distance-tasks. This has an specific application on the development of tasks on operator-risk or difficult-access environments. Both the teleoperation of real robots and the exploration and manipulation of virtual environments is renewing robotics researchers interest thanks, among other reasons, to the new control algorithms based on the knowledge of the dynamic models of the devices and of the increasing on the computational capacity of new processors. Meanwhile, experimentation with these teleoperation schemes is limited to simulations of simplified dynamic models and simple mechanical systems, mainly due to the shortage of “open” devices where the control schemes could be modified. Present Thesis tries to cover this space giving the necessary knowledge to the implementation of teleoperation platforms built by open devices, and to go deeply into the study of actual bilateral control schemes. Firstly, the design and development of an “open” six degrees of freedom parallel master has been needed. The device has 6-URS kinematic chains and is able to work either as an impedance or as an admittance device. An smart formulation based on the multibody dynamics theory has been developed. These dynamic models have been used for the obtention of the control algorithms of the devices. The interface of this device fits with the specific requirements of the experimental platform. To complete a general experimental platform, and to solve the synchronization problems between remote and local zone, a dynamic simulator of robots has been developed. This simulator is able to experiment with complete dynamic models of robots and allow to easily implement the growing haptic theory algorithms. Among others, the characteristics of the simulator are a complete implementation of the dynamic model of the slave, a collision algorithm, a force generator module and the easy declaration of different control schemes. At the same time, the “opening” procedure of the servos of a commercial slave robot has been developed, and a method for the identification of the inertial parameters is reviewed. The availability of “open” master and slave devices (real or virtual ones) allow the implementation and experimentation with different bilateral control schemes, being an interesting tool for future developments.