Expo congreso
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TELECONTROL HÁPTICO DE BRAZO ROBOT
Desarrollo del Proyecto
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
Contenido
Necesidad Función Justificación Antecedentes Análisis Funcional Diseño Conceptual Diseño a detalle
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
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.
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
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
Teleoperación
Lunokhod 1 Department of Lunar and Plannetary Research http://selena.sai.msu.ru/ [Accesado enero 2010]
Teleoperación
Robot NEATER 660 Disponible en http://proton.ucting.udg.mx [Accesado febrero 2010]
Teleoperación
Maestro- Esclavo “Robotic-Assisted Surgery” Da Vinci (Intuitive Surgical, Inc., 05)
Háptica es aquello que hace de interfaz para el usuario mediante el sentido del tacto usando fuerzas, vibraciones y desplazamientos (IEEE Symposium, 04).
Háptica
Háptica
Háptica Humana- Percepción- Cognición
- Neuropsicología
Háptica de computadoras- Modelado
- Interpretación- Estabilidad
Háptica de Máquinas- Diseño de dispositivos
- Sensores- Comunicación
Háptica
Dual Shock 3 http://www.sonystyle.com [Accesado febrero 2010]
Wiimote http://www.wiinintendo.net [Accesado febrero 2010]
Háptica
DMREI (Sanabria, 2007)
Háptica
“El único limite de las aplicaciones hápticas esta dado por el poder de nuestras mentes” (Robles de la Torre, 06)
Teleoperación háptica
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]
Análisis Funcional
Análisis Funcional
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
Clasificación de los requerimientos
Tipo de requerimiento Requerimientos/Expectativas
De apariencia
De manufacturabilidad e instalación Fácil instalaciónFácil mantenimientoDurable
De conservación Que sea Resistente
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)
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
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]
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]
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
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
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
• Por Factibilidad• Por disponibilidad tecnológica• Con base en los requerimientos del cliente• Por matrices de decisión
Aplicación de los Filtros
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.
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.
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
Animación Concepto Ganador
Representación de los dispositivos Maestro y Esclavo
Diseño a Detalle
Dicen que por ser Ingeniero soy ignorante,
y tienen razón…
…ignoro mis limitaciones.
(Cianca, 2010)