Implementación de un sistema teleoperado con reflexión de fuerza de seis grados de libertad

Abstract

Los trabajos expuestos en la presente tesis se han realizado en el Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas de Guipúzcoa (CEIT) dentro del marco establecido en el proyecto de Sistemas Robóticos Teleoperados (SRT), financiado por Iberdrola y Equipos Nucleares (S.A.). El principal objetivo del SRT ha sido desarrollar una familia de robots que ayuden en tareas de mantenimiento de centrales nucleares. Un dispositivo de teleoperación consta de dos manipuladores: el robot maestro está controlado por un operario mientras que el esclavo interactúa con un entorno remoto, siguiendo las trayectorias comandadas desde el maestro. La característica de reflexión de fuerza hace referencia al hecho por el cual las fuerzas de interacción, del robot esclavo con su entorno, se reconducen al operario a través del robot maestro. La principal motivación del estudio de estos dispositivos es la de poder desempeñar, con un alto grado de destreza, tareas en entornos remotos y hostiles para el operario humano. Partiendo de los estudios de tesis anteriores en el laboratorio de robótica del CEIT, el objetivo de la presente consiste en ampliar y finalizar los trabajos realizados sobre un prototipo de teleoperación de seis grados de libertad. Todo ello ha supuesto: Diseñar e implementar un controlador de teleoperación con reflexión de fuerza que contemple tanto las dinámicas de traslación y rotación, en el espacio cartesiano, de los robots involucrados. Diseñar e Implementar un algoritmo que mantenga a los robots alejados de sus configuraciones singulares y límites de sus espacios de trabajo. Ensayar y testear todos los algoritmos sobre un prototipo real. La exposición comienza con una pequeña introducción, historia y estado de la técnica de los sistemas teleoperados en el primer capítulo. A continuación, en el capítulo 2, se describe el prototipo de teleoperación desarrollado. Este prototipo consta, como robot maestro, de una plataforma Stewart, y, como esclavo, de un robot antropomórfico. El capítulo 3 estudia únicamente la cinemática del robot esclavo, ya que la del maestro se contempla en estudios anteriores si bien puede encontrarse un resumen en el Anejo A. En el capítulo 4, se muestra con detalle los lazos de control de teleoperación propuesto. Este algoritmo se clasifica como esquema de control fuerza-fuerza ya que la información comunicada entre ambos robots es la fuerza medida en cada uno de ellos. Este esquema tiene la ventaja de ser el más transparente, es decir, tiene gran capacidad para reproducir en el operador las mismas fuerzas que éste sentiría en caso de que estuviera trabajando directamente en el entorno remoto. Por el contrario, estos esquemas tienden a ser inestables. Por ello, también se contempla la modificación adaptativa de ciertas variables para evitar este problema y la adición de unos lazos de prealimentación local y remota de fuerzas. El capítulo 5 expone un algoritmo para evitar configuraciones singulares y límites del espacio de trabajo tanto del robot maestro como del esclavo. Este algoritmo define los subespacios óptimos de trabajo para cada robot, y establece unos límites que el controlador impide que se sobrepasen. La estrategia empleada se basa en reflejar al operario una fuerza que simula el comportamiento de unos muelles. En el capítulo 6 se analiza el comportamiento de los algoritmos propuestos en el capítulo 5 y se muestran los resultados experimentales de la ejecución de tres tareas teleoperadas (manipulación, taladrado y amolado). Finalmente, en el capítulo 7 se resumen las conclusiones extraídas a lo largo del todo el trabajo y futuras líneas de investigación. Este proyecto ha sido cofinanciado parcialmente por la CICYT bajo el número de registro TAP95-0227-C02-02 y realizado conjuntamente por el CEIT, Iberdrola, Endesa, Equipos Nucleares S.A. y la Universidad de Cantabria.