Teleoperación de un Manipulador Antropomórfico de 4 Grados ...
Teleoperación háptica de brazo manipulador
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TELEOPERACIÓN HÁPTICA DE BRAZO MANIPULADOR
Proyecto Terminal
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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
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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
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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
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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.
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Estado del Arte
“Un hombre con una idea nueva es un loco hasta que la idea triunfa”
Mark Twain
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Teleoperación
Conjunto de tecnologías enfocadas al gobierno a distancia de un dispositivo.
Teleoperador Dispositivo
teleoperado Interfaz Sensores Efectores
Definición Componentes
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Teleoperación
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HápticaD
efin
ició
n
Ciencia que estudia las aplicaciones de interacción entre las personas en ambientes virtuales y teleoperados.
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Háptica
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Teleoperación Háptica
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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
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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
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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
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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
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Conceptos Ganadores
Maestro Esclavo Comunicación
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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
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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
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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
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Selección de MotoresH
arm
onic D
rive
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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
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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
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Transmisión
Ecuación de Soderberg
Teoría del esfuerzo cortante máximo
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Diseño Eléctrico-Electrónico
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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.
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Sensores
Fuerza-Par Encoders
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Programación y Comunicación
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Comunicación
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Esquema de Funcionamiento
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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
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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
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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
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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
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Costo actual del producto
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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 =
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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
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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
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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.
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CONCLUSIONES
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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
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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
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