TELEOPERACIÓN HÁPTICA DE BRAZO MANIPULADOR

Proyecto Terminal

Integrantes & Asesores

“Dicen que por ser ingeniero soy ignorante, y tienen razón, ignoro mis limitaciones”

Israel Vázquez Cianca

Alvarado Juarez Diego Armando Butrón Castañeda Marco

Antonio Díaz Loyo Diego González García Luis César

Ing. Israel Vázquez CiancaM. en C. Abraham Martínez García

Agenda

“This paper is dedicated to all of us who believe in the wonders of human ingenuity and robot servitude for the bertterment of our life”

Shimon Nof

Necesidad Justificación Estado del Arte Objetivos Particulares Etapas del Proceso de

Diseño Diseño Conceptual Diseño a Detalle

Eléctrico-electrónico Programación y Comunicación

Costos Conclusiones Trabajos derivados y a futuro

Diseñar un manipulador teleoperado mediante un dispositivo háptico maestro para apoyar a la robótica pedagógica.

Necesidad

Diseñar un sistema integrado por un brazo manipulador y un mecanismo para el control háptico de manera remota para la manipulación de objetos pequeños.

Planteamiento del Problema

Objetivo General

Justificación

Combina las virtudes de las tecnologías de teleoperación y háptica.

Permite el acceso a una infraestructura que servirá como base experimental para abordar el estudio de la ciencia y tecnología de forma natural, integral y sistemática.

Estado del Arte

“Un hombre con una idea nueva es un loco hasta que la idea triunfa”

Mark Twain

Teleoperación

Conjunto de tecnologías enfocadas al gobierno a distancia de un dispositivo.

Teleoperador Dispositivo

teleoperado Interfaz Sensores Efectores

Definición Componentes

Teleoperación

HápticaD

efin

ició

n

Ciencia que estudia las aplicaciones de interacción entre las personas en ambientes virtuales y teleoperados.

Háptica

Teleoperación Háptica

Objetivos ParticularesD

iseño y

sim

ula

ción

Mecánica del dispositivo teleoperado

Sistema de control del esclavo Etapa de potencia del esclavo Mecánica de la interfaz háptica Sistema de control del maestro Etapa de potencia del

dispositivo maestro Sistema de comunicación

Etapas del proceso de diseño

“En los momentos de crisis, sólo la imaginación es más importante que el conocimiento”

Albert Einstein

Comprensión del Problema

Diseño Conceptual

Diseño a Detalle

Diseño ConceptualM

eto

dolo

gía

Q

FD

• Identificar la Necesidad

Paso 1

• Requerimientos del Cliente

Paso 2

• Importancia de los requerimientos

Paso 3

• Benchmarking

Paso 4

• Términos Mensurables

Paso 5

• Metas de Diseño

Paso 6

Conceptos Ganadores

Servomotor brushless

Engranes Encoders

incrementales

Microcontrolador

PC

Servomotor brushless

Engranes Sensor de

fuerza Encoders

incrementales Microcontrolador PC

Maestro Esclavo Comunicación

RS232 TCP/IP Puerto Serial Par trenzado

Conceptos Ganadores

Maestro Esclavo Comunicación

Diseño a detalle

“?Cuándo entenderá el humano que todas las razas son igualmente inferiores a los robots?”

Bender (Futurama)

Diseño Mecánico

Esclavo• Cinemática• Dinámica• Estructura• Transmisiones

Maestro• Cinemática• Dinámica• Estructura• Transmisiones

Cumple la función de manipular; es el dispositivo que realiza la tarea en el espacio remoto, su objetivo es representar los movimientos del dispositivo maestro y sensar las fuerzas de reacción.

Esclavo

Formulación Dinámica & Selección de Motores

Ejemplo para un movimiento de 180° de la articulación 2.

Dinámica Trayectoria

Donde: : Torque de los motores : Matriz de inercias

: Matriz de fuerzas de Coriolis

: Matriz de fuerzas de gravedad

Selección de MotoresH

arm

onic D

rive

Es el dispositivo encargado de sensar los movimientos ejercidos por el usuario y representar las fuerzas de oposición que puedan encontrarse en el ambiente remoto.

Maestro

Se realizó el diseño de los componentes mecánicos que soportan al conjunto de elementos del sistema. Cumpliendo las funciones de dar movilidad, volumen de trabajo, baja inercia, ergonomía e interfaz hombre-máquina. Se planteó la utilización del material Al6061 para el sistema.

Diseño de la Estructura

Transmisión

Ecuación de Soderberg

Teoría del esfuerzo cortante máximo

Diseño Eléctrico-Electrónico

Control necesario a implantar en un sistema de teleoperación que tiene variables en el sentido del maestro al esclavo y fluyendo también en el sentido contrario, suponiendo que ambos dispositivos cuentan con accionamientos en sus articulaciones.

Control Bilateral

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Modelo Dinámico Desacoplado

Se consideran los GDL de cada manipulador desacoplados entre si, analizando sistemas de único grado de libertad en el que existe un actuador y sensores.

Sensores

Fuerza-Par Encoders

Programación y Comunicación

Comunicación

Esquema de Funcionamiento

Conocer los costos estimados del proyecto que se ha realizado hasta una fase diseño a detalle con el propósito de determinar su factibilidad. El análisis de costos es una parte medular de un proyecto ya que nos permite adquirir una visión más completa y apropiada de la inversión necesaria para su desarrollo.

Análisis del Valor & Costos

Costo actualEl co

sto d

el p

rod

uct

o e

stá

delim

itad

o p

or

vari

os

fact

ore

s: EL costo de los materiales (materia prima) para fabricar los elementos

El costo del proceso de manufactura de los elementos

El costo de la mano de obra del operador que realiza el mecanizado de los elementos

El costo (precio) de los elementos que se adquieren directamente con algún fabricante

El costo de ingeniería que se deriva en: Diseños de ingeniería

Ingeniería conceptual Ingeniería básica Ingeniería de detalle

Diseño de proyecto Anteproyecto Proyecto

Estudios de factibilidad

Diagrama de Gantt

ETIQUETA CONCEPTO DURACION (DIAS) HRS. INGENIERÍA

A ESTADO DEL ARTE 30 150

B ANTECEDENTES 20 100

C Q.F.D. 20 100

D DISEÑO CONCEPTUAL 25 125

E DISEÑO MECANICO 80 400

F DISEÑO ELECTRICO 40 200

G ANALISIS DE VALOR 10 50

H PRODUCTO FINAL 10 50

TOTAL 235 1175

A

B C D E

F

G H

DIC ENE FEB MAR ABR MAY JUN SEP OCT NOV

Costo de Ingeniería

Costo de producción (tiempo y recursos)

Prestigio o credibilidad Tipo de cliente Impacto del resultado

del proyecto para con los negocios del cliente y la responsabilidad que esto conlleva

Competencia

Factores para el costo de ingeniería

La utilidad estará definida por los primeros 4 puntos

Costo actual del producto

Costo actual del producto

Costo:

$ 235 848.90 M.N.

Sin tomar en cuenta el costo de ingeniería.

Cantidad Pieza Material Costo/Precio Esclavo 1 Soporte Motor Acero Inoxidable 2300.00

2 Motor RH-8D 6006 Stock del Fabricante 11526.50 2 Placa 1 Aluminio 6061 800.00 5 Eje Acero 500.00 5 Rodamiento 618-5 Stock del Fabricante 2 Rodamiento 618-8 Stock del Fabricante 2 Engranaje Biselado 1 Acero Fundido Al Carbono 300.00 2 Engranaje Biselado 2 Hierro Fundido 300.00 3 Engranaje Recto 1 Acero Fundido Al Carbono 300.00 3 Engranaje Recto 2 Hierro Fundido 300.00 1 Rodamiento 618-7 Stock del Fabricante 1 Muñeca Aluminio 6061 400.00 3 Perno Acero 100.00 2 Dedo Aluminio 6061 250.00 2 Yema Aluminio 6061 250.00 2 Pernito Acero 100.00 1 Eslabón 4 Aluminio 6061 700.00 1 Minimotor RSF-5ª Stock del Fabricante 12387.50

Maestro 1 Base 1 Aluminio 6061 350.00 1 Base 2 Aluminio 6061 700.00 1 Eje Base Acero 600.00 6 Buje Stock del Fabricante 300.00 3 Minimotor RSF-5ª Stock del Fabricante 12387.50 1 Eslabón 1 Aluminio 6061 200.00 1 Eslabón 2 Aluminio 6061 500.00 1 Eslabón 3 Aluminio 6061 1000.00 1 Eslabón 4 Aluminio 6061 800.00 1 Muñeca Aluminio 6061 400.00 1 Stylus Plástico ABS 80.00 1 Encoder AS5043 Stock del Fabricante 80.00 3 Engranaje Recto 1 Acero Fundido Al Carbono 300.00 3 Engranaje Recto 2 Hierro Fundido 300.00 5 Eje Acero 400.00

Electrónica 3 Drive HS-360-1B Stock del Fabricante 99377.50 4 Drive HA-680-4B-24 Stock del Fabricante 6662.50 2 PIC16C61 Stock del Fabricante 57 4 Buffer 74HCT541 Stock del Fabricante 4.30 4 Capacitor 10 µF Stock del Fabricante 2.6

2 Cristal 20 MHz Stock del Fabricante 8.7 2 Conector RS232 Stock del Fabricante 12.50 2 Convertidor RS232-USB Stock del Fabricante 564.70 4 Resistencias 220 Ω Stock del Fabricante 5.00 TOTAL =

Análisis del valor

Identificación Información Especulación Evaluación Planificación y

aplicación Registro y seguimiento

¿En qué consiste el producto?

¿Para qué sirve el producto?

¿Cuánto cuesta el producto?

¿Qué opciones pueden realizar la misma función?

¿Cuánto costarían estas opciones?

Fases del análisis Bases de la metodología

Se realizó una comparación cualitativa de las funciones que desempeñan 3 dispositivos similares al que se presenta así como una comparación cuantitativa del precio/costo del producto.

Comparativo con la competencia

Funciones Compañía Dispositivo Teleoperar Representar

Fuerzas GDL Comunicación Precio

Novint Falcon 3 USB $250 USD* SensAble Phantom

Premium 3.0 3 EPP $60 500 USD*

Butterfly Haptics Maglev 200 6 Ethernet $ 48 800 USD* *Precios más gastos de envío

Aplicación del análisis del valor

Factib

le?

Si

Siguiendo las fases de la metodología se llegó a la siguiente conclusión:

La forma más fácil de aumentar el valor del sistema sería cambiando los motores que se están implementando, así como también dejar de lado el uso de los drivers de los mismos motores.

CONCLUSIONES

Trabajos

Ponencia: 5º Congreso Científico y Tecnológico Carrera de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la FESC; UNAM

Artículo: “Teleoperación Háptica de Brazo Manipulador” 5º Congreso Científico y Tecnológico de la Carrera IME de la FESC; UNAM

Cartel: 9º Congreso Nacional de Mecatrónica; Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

Artículo: “Diseño de Brazo Manipulador Háptico Teleoperado” 9º Congreso Nacional de Mecatrónica; Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

Solicitud de Patente (En proceso)

Derivados

Trabajo a Futuro

“Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo”

Albert Einstein

Rediseñar tomando en cuenta el análisis de valor realizado.

Mejorar los sistemas eléctrico-electrónico.

Implementar retroalimentación visual

Predicción de colisiones Desarrollo de aplicaciones

específicas