teleoperación háptica de brazo manipulador

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN LABORATORIO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS RENOVABLES

30 DE AGOSTO AL 3 DE SEPTIEMBRE 2010

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DE 13

IR-18

Teleoperación Háptica de Brazo Manipulador

Diego Armando Alvarado Juarez1, Marco Antonio Butrón Castañeda

2, Diego Díaz Loyo

3, Luis César

González García4, Israel Vázquez Cianca

5, Sergio Viveros Bretón

6

RESUMEN Este trabajo presenta el desarrollo del diseño conceptual de un

dispositivo que permite la teleoperación de un brazo articulado con

retroalimentación háptica. El objetivo de este prototipo es

implementar el control bilateral a un sistema robótico del tipo

maestro-esclavo. Con este control se tiene una retroalimentación

por parte del dispositivo remoto, la cual nos da la oportunidad de

experimentar de manera perceptiva la manipulación a distancia. Al

sumar el sensado de fuerzas y su respectivo tratamiento, se logra

obtener una mayor sensación de presencia en el ambiente remoto,

desde la ubicación local.

El proyecto parte de la problemática de diseñar un sistema que

combine las virtudes de las tecnologías de la teleoperación y la

háptica, ya que es difícil encontrar dispositivos o proyectos que

conjuguen estas áreas de la robótica.

Para la elaboración de este diseño se siguió la metodología QFD

(Quality Functional Deployment), con la cual se establecen los

requerimientos para el sistema que solucionará la problemática

dada. Con esto se propone una serie de conceptos que los

satisfagan. Una vez que se cuenta con los conceptos se aplican

ciertos filtros, como la disponibilidad tecnológica o la factibilidad

de los mismos en el proyecto, para poder establecer el diseño que

represente la solución óptima al problema planteado en un

principio.

ABSTRACT This paper presents the development of the conceptual design of a

device that allows the teleoperation of a robotic arm with haptic

feedback. The prototype objective is to implement the bilateral

control to a master-slave robotic system, because with this type of

control, a feedback from the remote device is obtained, which

gives us the opportunity to experiment in a more perceptive way

the telemanipulation. By adding to this feedback the force sensors

and its respective treatment, a greater feeling of presence in the

remote site is obtained at the local environment.

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica – Unidad

Azcapotzalco, Instituto Politécnico Nacional

Av. de las Granjas #682, Col. Sta. Catarina,

C.P. 02250, México D.F. [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

The Project starts at the problematic of designing a system that

combines the virtues of the teleoperation and the haptic

technologies, because it is really difficult to find devices or

projects that associates these robotic areas.

For the elaboration of this design, it was used the QFD (Quality

Functional Deployment) methodology, with which is established

the requirements for the system that are going to solve the given

problematic, and with this, a series of concepts that satisfy such

requirements can be proposed. Once it is counted with the

concepts, some filters, like technologic availability or feasibility,

must be applied in order to establish the design that represents the

optimal solution to the initial problem.

Palabras claves: QFD, háptica, teleoperación, retroalimentación,

control bilateral, INTRODUCCIÓN Hoy en día gracias a los dispositivos hápticos, el teleoperador

puede controlar un manipulador dentro de un espacio de trabajo

útil detectando y retroalimentando las fuerzas correspondientes a

colisiones entre piezas del mismo robot o piezas externas con el fin

de evitar sobrecargas u otro tipo de daños permitiendo una mejor

manipulación.

Con el uso de los protocolos de comunicación existentes se ha

logrado eliminar el factor distancia en la problemática de la

manipulación, permitiendo realizar ésta en tiempo “real”, tomando

en cuenta los retardos propios del sistema. La función de estos

protocolos será establecer una descripción formal de los formatos

que deben presentar los mensajes para poder ser intercambiados

entre el dispositivo háptico y el manipulador.

ANTECEDENTES Desde hace tiempo, con el desarrollo de la tecnología, el hombre

ha tratado de entender su propio funcionamiento para así, poder

reproducirlo, como bien menciona Lederman [1], “Si no se

entienden las capacidades y limitaciones de los humanos, no se

pueden diseñar sistemas que les permitan operar efectivamente en

ambientes remotos, virtuales o reales”, esto, haciendo referencia a

la teleoperación y a la tecnología háptica.

Teleoperación

Según Nuño [2], la teleoperación es el conjunto de tecnologías

enfocadas a la operación o gobierno a distancia de un dispositivo

por un ser humano.

mailto:[email protected]









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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 logro 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. En la figura 1

podemos observar una fotografía correspondiente a Raymond

Goertz manipulando químicos a través de un cristal de protección,

hecha en 1948 en el Laboratorio Nacional de Argonne.

Figura1.- Primer Telemanipulador Maestro- Esclavo Mecánico

“Teleoperación: técnicas, aplicaciones, entorno sensorial y

teleoperación inteligente” [2].

Conforme a lo que dice Bejcsy [3] el acto de teleoperar extiende la

capacidad manipuladora del brazo y la mano humana a ambientes

remotos, físicamente hostiles o peligrosos. Así, después de años de

investigaciones, se desemboca en lo que actualmente se conoce

como Teleoperación Maestro-Esclavo, en donde un manipulador

denominado esclavo reproduce fielmente los movimientos de un

dispositivo o manipulador maestro, controlado a su vez

manualmente por un operador humano. Se puede decir que es

entonces cuando la Teleoperación cobra importancia como

tecnología.

Desde que surgen estos sistemas de Teleoperación hasta la

actualidad se puede notar que ha existido un gran avance; cada vez

el área de acción de la teleoperación 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. Un sistema teleoperado consta de cuatro

elementos como podemos observar en la figura 2. Basándonos en

Nuño [2] describimos estos elementos a continuación:

• Teleoperador.- Es la persona que realiza el control de la

operación a distancia, su acción puede ir desde un control

continuo hasta intervenciones intermitentes.

• Dispositivo teleoperado.- Es la máquina que trabaja en la

zona remota y es controlada por el operador.

• Interfaz.- Se refiere al conjunto de dispositivos que

permiten la interacción entre el operador y el sistema de

teleoperación.

• Sensores.-Son el conjunto de dispositivos que recogen

información, éstos se pueden localizar tanto en la zona

remota como la local.

Figura 2.- Elementos básicos de un sistema de teleoperación

“Teleoperación: técnicas, aplicaciones, entorno sensorial y

teleoperación inteligente” [2].

En los años sesentas y setentas la teleoperación alcanzó un nuevo

nivel con su utilización en el espacio. El estudio de esta tecnología

para tales aplicaciones según la NASA [4] empezó en 1961 cuando

la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio de

Estados Unidos de América, NASA por sus siglas en inglés, le

financió un estudio al Massachusetts Institute of Technology

(MIT) para conocer los efectos del tiempo de retardo en la

manipulación remota, lo que dirigiría para 1968 al primer

programa de investigación de teleoperación patrocinado por la

Oficina de Investigación de Aeronáutica y Tecnología de dicho

país.

Métodos de control

La intervención del operador puede producirse en muchas formas

diferentes, desde la teleoperación directa de los actuadores, hasta

solamente la especificación de movimientos, o tareas que se

realizan de manera automática en el entorno remoto dejando un

poco de lado la ya mencionada idea de Bejcsy[3], ajustándose más

con las ideas de Nuño [2].

Los métodos de control se clasifican en dos grandes ramas y son:

• Control Unilateral.- Este tipo de control es utilizado para

aquellas actividades en las que no es indispensable tener

retroalimentación por parte del dispositivo remoto. En

éstas solo se envían señales del maestro al esclavo.




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• Control Bilateral.- Es fundamental para la mayoría de las

aplicaciones en teleoperación, pues con él se tiene una

retroalimentación por parte del dispositivo remoto. Lo

que da la oportunidad de experimentar de manera más

efectiva mediante la manipulación del maestro en un

ambiente remoto. Se le llama bilateral debido a que

cuenta con comunicación en dos vías (Maestro-Esclavo y

Esclavo-Maestro).

Los sistemas de telecomunicaciones entre los dispositivos que

utilizan directamente el operador y el sistema de control local del

robot son de vital importancia, ya que es uno de los principales

problemas que se pueden encontrar en muchos de los dispositivos

teleoperados hoy en día.

Ha habido, 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, sin embargo limita seriamente en cuanto a los tiempos

de respuesta entre los dispositivos utilizados.

Háptica

Como bien menciona Barrientos [5] actualmente la palabra Háptica

no tiene una definición directa. Sin embargo se puede generar un

entendimiento de la misma a partir de su raíz, la cual se deriva del

griego “Hapthai”, y hace referencia al sentido del tacto.

El sentido del tacto es el primero que se forma en los seres

humanos durante la gestación, y debido a esto es el más

desarrollado, y aunque no se note, es del que más dependen las

personas en la vida diaria. Según Braun [6], el sentido del tacto

comprende la percepción de estímulos mecánicos que incluyen

contacto, presión y golpeo. Además de ser sensibles a estos

incentivos, las terminales nerviosas de la piel también responden a

estímulos de calor, frío o dolor. En otras palabras, es la sensación

evocada por la piel cuando se somete a estímulos mecánicos,

eléctricos, térmicos o químicos.

Los somato-receptores son necesarios para poder detectar estos

estímulos y existen 4 tipos:

• Termo-receptores.- Son los encargados de identificar los

cambios de temperatura, y así traducirse en señales

regulatorias cuando se requiere un ajuste.

• Propioceptores.- Son aquellos que se encargan de

informar sobre la posición del cuerpo, y permiten

conocer la posición de los órganos con los ojos cerrados.

• Mecano-receptores.- Terminaciones nerviosas libres que

poseen un bajo umbral de estimulación y una rápida

adaptación.

• Nocio-receptores.- Se activan mediante una estimulación

mecánica fuerte o temperaturas extremas, las cuales

pueden producir daño. Al activarse producen la

sensación de dolor.

En tecnología; háptica se refiere a la ciencia que estudia las

aplicaciones de interacción entre las personas en ambientes

virtuales y tele-operados. Generando una interfaz háptica se

permite al usuario manipular objetos que virtualmente están

presentes, pero realmente no existen o se encuentran en otro lugar.

La investigación de la háptica según Kutchenbecker [7] busca

recrear el complejo sentido del tacto para los usuarios de realidad

virtual y telerrobótica. Ésta inicia en los años 90´s como resultado

de problemáticas y estudios que se llevaron a cabo en áreas como

la robótica, la teleoperación, realidad virtual y psicología

experimental, incrementando el número de investigadores en

universidades y centros de investigación.

Las investigaciones referentes a la háptica se pueden clasificar en

tres ramas, las cuales se visualizan en la figura 3 y se describen a

continuación:

• Háptica humana.-Se refiere al estudio de los

componentes que posee una persona para sentir y

manipular su entorno por medio del tacto.

• Háptica de máquinas.-El campo que estudia y produce

dispositivos de hardware que permiten a la gente

interactuar con las computadoras.

• Háptica de computadoras.-Se refiere al campo que

estudia los algoritmos de interpretación háptica para

crear los efectos deseados con una interfaz háptica.

Figura 3.- Ramas de la háptica

Como resultado se desarrollaron una gran variedad de dispositivos

con el objetivo de probar algunas teorías en relación con la

percepción táctil humana para poder continuar con el desarrollo de

esta tecnología.

Teleoperación Háptica

Se puede decir que este tema existe desde que existe la

teleoperación, pues cuando ésta empezó se utilizaban sistemas que

se encontraban conectados por medios mecánicos, por lo que se

transmitían las fuerzas a los mandos a distancia. Cuando se dejan

de utilizar mandos remotos directamente conectados se hace la

separación entre la teleoperación y la háptica.




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Hoy en día se ha retomado la unión de estas dos tecnologías para

poder realizar nuevos dispositivos y mejorar los ya existentes,

logrando así una infinidad de posibilidades como diría Robles [8],

“El único límite de las aplicaciones hápticas está dado por el poder

de nuestras mentes”.

Con los dispositivos hápticos, el teleoperador puede controlar un

manipulador dentro de un espacio de trabajo útil detectando los

limites por medio de fuerzas que le impiden salirse del mismo, o

bien, sentir las fuerzas correspondientes a colisiones entre piezas

del mismo robot o piezas externas con el fin de evitar sobrecargas

u otro tipo de daños permitiendo una mejor manipulación.

Protocolos de Comunicación

Concretamente, los protocolos de comunicación definen las reglas

para la transmisión y recepción de la información entre los nodos

de la red, de modo que para que dos nodos se puedan comunicar

entre si es necesario que ambos empleen la misma configuración

de protocolos, Almaraz [9].

DESARROLLO

La finalidad del diseño es resolver problemas, los cuales pueden

tener un número variable de soluciones, correctas o no. Por esta

razón el método es de suma importancia en el campo del diseño,

gracias a él se pueden evitar acciones o soluciones arbitrarias que

no resuelvan adecuadamente los problemas planteados.

Un problema bien definido conducirá a una solución correcta. El

problema de diseño surge de una necesidad, el planteamiento debe

contener todos los elementos para su solución, por ello es

imprescindible localizar, conocer y utilizar dichos elementos (ver

figura 4). Lo cual se pretende lograr mediante el uso de la

metodología que propone el Despliegue de la Función de Calidad

(ver figura 5) ó QFD por sus siglas en inglés, (Quality Function

Deployment), dicha metodología consiste en interpretar lo que el

cliente quiere y convertirlo en especificaciones para el producto

final, lo que se pretende es traducir los requisitos del cliente en

características cualitativas para poder transformarlas al lenguaje

ingenieril y así determinar cuál es el diseño del proceso.

Etapa I del Proceso de Diseño

Identificación de la necesidad

Diseñar una herramienta para realizar pruebas de manipulación a

distancia con la capacidad de retroalimentación de fuerzas.

Requerimientos

En la metodología QFD lo primero que se hace es considerar “qué”

exigencias técnicas se requieren para cumplir las expectativas del

cliente. Por lo cual se debe realizar una investigación de sus

necesidades para ser capaces de encontrar las variables de decisión

correctas. Con el fin de poder realizar un análisis adecuado se

separan los requerimientos en 6 tipos, los cuales podemos observar

en la tabla 1.

Figura 4.- Etapas de la Metodología de Diseño

Figura 5.- Metodología del Q.F.D.

Requerimientos Deseables

Este tipo de requerimientos son más difíciles de valorar ya que

están fuera de las expectativas mínimas, con lo cual su ausencia no

crea descontento sin embargo su integración al proyecto logra

otorgar una satisfacción superior.

En la tabla 2 se exponen todos aquellos requerimientos que no son

completamente indispensables para cumplir con la necesidad, sin

embargo, le dan plusvalía al diseño en general.




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Tabla 1. Clasificación de los requerimientos

Tipo de requerimiento Requerimientos/Expectativas

Económicos Bajo costo

Funcionales

Entradas/Salidas analógicas (Medir

magnitudes físicas).

Paro en caso de emergencia. Configuración cinemática similar al brazo

humano.

Afectar poco al sistema con retardos. Ancho de banda suficiente para

retroalimentar de manera realista.

Solo una mano requerida para su operación.

Intuitivo para el operador.

Limitar fuerzas y velocidades.

Evitar vibraciones o movimientos involuntarios.

Sentir las fuerzas que actúan en el esclavo.

Reproducir de manera confiable los movimientos del maestro.

Carga de trabajo de 0.5 kg.

Debe tener una pinza de propósito general (Gripper con dedos).

Accionamiento eléctrico (motores de C.D.).

Fácil de mover o frenar. Buena manejabilidad.

Espaciales Instalable en cualquier aula de la ESIME

Azcapotzalco (Volumen de trabajo).

De apariencia

De manufacturabilidad e

instalación

Fácil instalación.

Fácil mantenimiento. Durable.

De conservación Que sea Resistente.

Determinación de la Importancia de los Requerimientos

Deseables Se debe de realizar una ponderación de los requerimientos

deseables para poder establecer un orden de importancia de éstos,

con lo cual podemos identificar en cuales deberíamos enfocarnos

primero, claro está, luego de haber cumplido con todos los

requerimientos obligatorios. En la tabla 3 se visualiza la

consideración de estos requisitos:

Como se observa en la tabla 4, el requerimiento deseable más

importante es afectar poco al sistema con retardos, pues en un

sistema teleoperado, éste es uno de los mayores problemas a

enfrentar.

Traducción a Términos Mensurables

Los “Como’s”: se trata de encontrar las especificaciones para

satisfacer las necesidades funcionales. Es importante traducir los

requerimientos a términos medibles para poder con éstos establecer

nuestras metas de diseño, así como identificar desde un punto de

vista ingenieril, que es lo que en realidad quiere el cliente.

Tabla 2 Requerimientos Obligatorios y Deseables

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

humano

Resistente

Paro en caso de emergencia Durable

Limitar fuerzas y velocidades Intuitivo para el operador

Evitar vibraciones o movimientos

involuntarios

Bajo costo

Sentir las fuerzas que actúan en el esclavo Fácil mantenimiento

Reproducir de manera confiable los

movimientos del maestro

Fácil instalación

Carga de trabajo de 0.5 kg Solo una mano requerida

para su operación

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

Accionamiento eléctrico (motores de C.D.)

Fácil de mover o frenar

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

Tabla 3 Ponderación de los Requerimientos Deseables

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 Σ+ %

D1 - - - + - - - - 1 2.78

D2 + - + - - - - - 2 5.56

D3 + + + + + + + + 8 22.22

D4 + - - + + - - - 3 8.33

D5 - + - - - - - - 1 2.78

D6 + + - - + - - - 3 8.33

D7 + + - + + + - - 5 13.89

D8 + + - + + + + - 6 16.67

D9 + + - + + + + + 7 19.44

Total 36 100

Tabla 4 Importancia de los Requerimientos Deseables

No. Requerimiento % Σ+

D3 Afectar poco al sistema con retardos 22.22 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

D5 Solo una mano requerida para su operación 2.78 1

Total 100 36

En la tabla 5 se encuentran los requerimientos de este proyecto

traducidos a términos mensurables.




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Metas de Diseño

Casa de la Calidad

Muestra una comparación entre los requerimientos, tanto

obligatorios como deseables, con los términos mensurables y sus

respectivas metas de diseño. Esta comparación nos indica que tanta

relación tienen unos con otros y en este trabajo se representa con 3

cifras:

1 – Poca o ninguna relación

3 – Algo de relación

5 – Mucha relación

En las tablas 6 y 7 se muestra la comparación entre los

requerimientos obligatorios y deseables respectivamente, además

se observa lo que son las metas de diseño de cada requerimiento.

Etapa II del Proceso de Diseño

Funciones de Servicio

Una vez analizados todos los requerimientos del cliente y

establecidas las metas de diseño, se procede a realizar un mapa de

funciones en el que se visualizan todas aquellas actividades que

deberá realizar el dispositivo. Partiendo de las funciones primarias,

secundarias, terciarias, y así hasta agotar toda acción posible y

llegar al “con qué” se realizará dicha labor.

En las siguientes figuras se observan todas las operaciones que

deberá realizar el dispositivo, las cuales se clasificaron en tres

distintas áreas que son: la manipulación, el procesamiento y la

comunicación.

En la figura 6 se encuentran aquellas funciones procedentes o

relacionadas con el procesamiento de datos y la telecomunicación.

Específicamente en la figura 7 se visualizan todas las funciones

que se derivan de la manipulación y aquellas funciones que se

derivan de la principal. Aquí se incluye la representación de

fuerzas y de movimientos tanto por parte del maestro como del

esclavo. Además el sensar distintas variables que son

indispensables para poder realizar la retroalimentación háptica.

Generación de Conceptos

Una vez que se han identificado todas las funciones, se realiza una

lluvia de ideas en la que se proponen diversas soluciones que

cumplan con dichas actividades. Para poder calcular el número

total de posibles soluciones lo que se hace es multiplicar el número

de soluciones de cada concepto como se muestra en la ecuación 1.

(1)

Tabla 5 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 Paro 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]

5 Configuración cinemática similar al

brazo humano

Morfología articular. GDL

[#]

6 Velocidad de movimiento.

[m/s]

7

Afectar poco al sistema con retardos Tiempo de retardo[s]

Ancho de banda suficiente para realimentar de manera realista.

Ancho de banda. [Hz]

8 Bajo costo

Costo por el material. Pesos

[MXN]

Tiempo de manufactura- [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 [hr]

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 actúan en el

esclavo

Retroalimentación de las

fuerzas de oposición en el maestro [N]

14 Reproducir de manera confiable los

movimientos del maestro

Fiabilidad de

posicionamiento.[% de error]

15 Carga de trabajo de 0.5 kg Soportar 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(Vol. de trabajo) Volumen [m^3]

19 Resistente Impactos Impactos imprevistos. [N]

Deflexión Deflexión. [mm], [grados]

20 Accionamiento eléctrico (motores de

C.D.) Torque [Nm]

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

Inercia [N*m]

22 Buena manejabilidad

Fuerza [N], Coeficiente de

fricción

Peso soportado por el

usuario [N]




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DE 13

Tabla 6 Casa de la Calidad I: Obligatorios

Té

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

Paro 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 actúan 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 .5 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

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DE 13

Tabla 7 Casa de la Calidad II: Deseables

Té

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Requerimientos

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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

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Figura 6 Mapa de funciones A




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Figura 7 Mapa de Funciones B




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En las tablas 8A, 8B y 8C se pueden observar las más de veinte mil

millones de posibles soluciones que resultaron de la lluvia de

ideas. Al tener una gran combinación de conceptos, es necesario

aplicar ciertos filtros para poder llegar a la solución más adecuada.

En esta metodología aplicamos cuatro tipos de evaluaciones para

obtener la solución pertinente.

Evaluación por factibilidad

o En este filtro se eliminaron los conceptos que

por su naturaleza no resultan viables para el

cumplimiento de la función, dado lo que ya se

conoce acerca del proyecto.

Evaluación por disponibilidad tecnológica

o Al utilizar este filtro se descartan todos

aquellos conceptos que impliquen tecnología

no disponible en el país, o simplemente fuera

de nuestro alcance.

Evaluación basada en los requerimientos del cliente

o Aquí, se toman en cuenta todos los

requerimientos proporcionados por el cliente y

realizamos un análisis para ver con cuales de

las posibles soluciones se cumplen y con

cuales no, eliminando los que nos den un

resultado negativo.

Evaluación basada en matrices de decisión

o Por último utilizamos una matriz de decisión

(Matriz de Pugh) con la cual al contar con un

número más reducido de posibilidades,

hacemos una comparación entre éstas y vemos

cual de todas cumple con el mayor número de

requerimientos deseables, siendo ésta la

solución más pertinente para la problemática

planteada inicialmente.

En esas mismas tablas se observan los conceptos que fueron

eliminados en distintos colores, cada uno haciendo referencia a un

filtro diferente:

Factibilidad – Rosa

Disponibilidad Tecnológica – Verde

Requerimientos del Cliente – Azul

Matriz de decisión – Naranja

Resultados

El hecho de aplicar los filtros a los conceptos propuestos en un

principio da como resultado un concepto ganador, el cual se

describe a continuación:

El diseño consiste principalmente en tres partes:

Dispositivo maestro (figura 8)

o Para la representación de fuerzas se utilizarán

servomotores de imanes permanentes, además

se hará uso de transmisiones por cable o

tendones para la transmisión del movimiento.

Con el fin de conocer tanto la velocidad y la

aceleración del dispositivo se pretende acudir a

encoders incrementales. Por último, se

ocuparán microcontroladores AVR en conjunto

con una PC para poder realizar el control del

mismo.

Figura 8 Diseño Conceptual, Maestro

Dispositivo Esclavo (figura 9)

o En este dispositivo se tomarán algunas de las

soluciones propuestas para el maestro, como el

uso de encoders incrementales, la transmisión

por tendones, los servomotores, así como el

control por medio de los AVR y la PC. La

diferencia estriba en el uso de galgas

extensiométricas para conocer la presión y el

par que soportará el dispositivo.

Figura 9 Diseño Conceptual, Esclavo




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Comunicación

o En esta parte se utilizarán como conectores los

puertos Ethernet, Serial y USB. En cuanto a la

transmisión y recepción de datos, éstas se

basarán en los protocolos RS232 y TCP/IP. Por

último, las conexiones físicas se darán por

medio de un par trenzado.

Conclusiones

El uso de este tipo de metodologías resulta crucial al momento de

diseñar, pues gracias a ellas se obtienen las características

principales del dispositivo que cumplirá con las necesidades del

cliente.

La eficiencia en la realización de un proyecto, radica en la relación

que guarda el mejor uso de los recursos, el tiempo empleado en su

elaboración y el resultado obtenido, de ahí la importancia de

determinar el concepto que reúna las condiciones de viabilidad, y

cumplimiento de requerimientos obligatorios y deseables, y en

consecuencia la relevancia del uso de una metodología de

desarrollo que muestre de forma precisa, los beneficios o

posibilidades de la aplicación de un método de planeación

determinado, resultado del análisis de cada una de las partes a

considerar.

Lo anterior permite reconocer que la metodología de despliegue de

función de calidad, es una herramienta que permite llevar a la

realidad un proyecto, en las mejores condiciones que los diversos

ámbitos de competencia exigen.

Tabla 8A Generación de conceptos Maestro

ti Maestro

Funciones

Representar fuerzas Transmitir

movimiento

Sensar Controlar

Velocidad Posición

So

lucio

nes

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 Encoder Absoluto Encoder Absoluto PLC

Cilindro Hidráulico Encoder Incremental Encoder Incremental

A.H. Angular

A. N. Lineal

A.N. Angular

Servomotor C.D.

Tabla 8B Generación de conceptos Comunicación

Comunicación

Funciones Enviar y recibir datos Conectar

Protocolo

Alambrica Inalambrica

So

lucio

nes

Fibra óptica Bluetooth Ethernet HTTP

Cable Coaxial Infrarrojo Puerto Serial FTP

Par trenzado Wi-Fi USB TCP/IP

FireWire P2P

RS232




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Tabla 8C Generación de conceptos Esclavo

Esclavo

Funciones

Representar

movimientos

Transmitir

movimiento

Sensar

Controlar Velocidad Posición

Fuerza

Par Presión

So

lucio

nes

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.

Referencias

[1] Lederman, S.J., Klatzky, R.L., Rennert-May, E., Lee, J.H., Ng,

K., & Hamilton, C. Haptic processing of facial expressions of

emotion in 2D raised-line drawings. IEEE Transactions on Haptics,

2008.

[2] Emmanuel Nuño Ortega, Luis Basáñez Villaluenga

Teleoperación: técnicas, aplicaciones, entorno sensorial y

teleoperación inteligente, Universitat Politécnica de Cartalunya,

IOC-DT-P-2004-05, Abril 2004

[3] Bejcsy, Antal K. Towards Development of Robotic Aid for

Rehabilitation of Locomotion-impaired Subjects. California

Institute of Technology Pusudena, California, 91 I09 1993.

[4] NASA. Telerobotics plan program. 1997.

[5] Barrientos, A., et al., 2007. Fundamentos de Robótica 2ª

Edición. Ed. McGraw Hill. ISBN: 978-84-481-5636-7

[6] Braun, E. El Saber y los Sentidos 2ª Edición. Ed. Fondo de

Cultura Económica.1997. ISBN: 968-16-5259-2

[7] Kutchenbecker, Katherine, et. al. Haptic Display of Contact

Location. Proceedings of the 12th International Symposium on

Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator

Systems. IEEE 2004.

[8] Almaraz, A. Curso de Familia de Protocolos TCP/IP 2000.

[9] Robles-De-La-Torre G. The Importance of the Sense of Touch

in Virtual and Real Environments. IEEE Multimedia 13(3), Special

issue on Haptic User Interfaces for Multimedia Systems, pp. 24-30

(2006).

Información Académica

Alvarado Juarez Diego Armando.- Alumno de la carrera

Ingeniería en Robótica Industrial, Escuela Superior de Ingeniería

Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco, Instituto

Politécnico Nacional, Pasante de Técnico en Sistemas Digitales del

CECyT 1, “Gonzalo Vázquez Vela”.

e-mail: [email protected].

Butrón Castañeda Marco Antonio.- Alumno de la carrera

Ingeniería en Robótica Industrial, Escuela Superior de Ingeniería

Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco, Instituto

Politécnico Nacional, Pasante de Técnico en Procesos Industriales

del CECyT 11 “Wilfrido Massieu”.


Díaz Loyo Diego.- Alumno de la carrera Ingeniería en Robótica

Industrial, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica,

Unidad Profesional Azcapotzalco, Instituto Politécnico Nacional.


González García Luis César.- Alumno de la carrera Ingeniería

en Robótica Industrial, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica

y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco, Instituto

Politécnico Nacional.





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Ing. Israel Vázquez Cianca.- Ingeniero en Robótica Industrial por

la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Profesor

de la Academia de Eléctrica y Electrónica de la ESIME Unidad

Profesional Azcapotzalco. Doctorando en la Universidad

Politécnica de Cataluña, España en el doctorado de

"Automatización Avanzada y Robótica". Ha participado en varios

congresos internacionales en las áreas de Robótica, control y

visión.

e-mail [email protected].

M. en C. Sergio Viveros Bretón.- Profesor de la Academia de

Proyecto de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y

Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. Sus principales áreas

de interés son el diseño, modelado, simulación y mecánica de

materiales.

