Implementación de un HMI para teleoperación de un brazo robótico utilizado en aplicaciones de manejo de materiales peligrosos.

1. INTRODUCCIÓN:
OBJETIVOS:
METODOLOGÍA:
RESULTADOS:
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
Implementación de un HMI para teleoperación de un brazo robótico utilizado en aplicaciones de
manejo de materiales peligrosos.
Autores: Herrera Núñez, Edison; Zambrano Chávez, Wellington
Instituto Superior Tecnológico TSA´CHILA
edherreran@gmail.com - wel_zambrano@hotmail.com
RESUMEN:
El principal objetivo del proyecto es implementar una interfaz gráfica en un
computador para operar a distancia e inalámbricamente un prototipo de
manipulador robótico didáctico de 5 GDL (Grados de Libertad) para realizar tareas
de manipulación de objetos y materiales peligrosos a escala de un prototipo
educacional.
El proyecto integra dos partes, la estación local (HMI Interfaz Hombre-máquina)
constituida por cualquier computador cargado previamente la aplicación de control
(desarrollada en el Software LabVIEW) y la estación remota con el robot como
principal actor, que interactúa con el entorno no estructurado o peligroso. Ambas
estaciones se encuentran entrelazadas mediante comunicación inalámbrica de
módulos Xbee (estándar Zigbee IEEE 802.15.4) y la información visual para realizar
la teleoperación es mediante cámaras web de video montadas en la estación
remota.
La estación remota se encarga de recibir las órdenes exactas de posición enviadas
desde la estación local y garantizar que el manipulador replique dichas posiciones
en el ambiente no estructurado. Para cumplir con su función, la estación remota se
compone de un microcontrolador que se encarga mediante algoritmos lógicos de
procesar la información recibida para luego enviar los comandos de posición a la
tarjeta controladora de servomotores y esta a su vez envíe las señales que
posicionen correctamente al robot LYNXMOTION AL5D.
Palabras Claves- HMI, Teleoperación, Manipulador, Robot, XBee.
La robótica ya no es un campo desconocido en el Ecuador y tampoco lo es que las
sociedad cada vez depende del uso de maquinaría especializada y robots.
Los sistemas de teleoperación permiten manipular objetos ubicados en ambientes
alejados, que además pueden ser utilizados para ejecutar tareas complejas o
peligrosas para los seres humanos. Entre las aplicaciones más comunes de la
teleoperación de robots se pueden describir: transporte de materiales radiactivos,
telecirugías, navegación y recolección de muestras en otros planetas, rescate de
barcos hundidos, exploración en aguas profundas, búsqueda y rescate de personas
en catástrofes naturales, y entre otras como vigilancia usando drones y aviones
(UAV), los cuales no necesitan ser tripulados. Es así como se desarrolla un módulo
de teleoperación a pequeña escala que puede ser ampliado a nivel industrial.
Objetivo general:
• Implementar un HMI para operar a distancia e inalámbricamente un prototipo de
manipulador robótico didáctico de 5 GDL (Grados de Libertad) para realizar
tareas de manipulación de objetos y materiales peligrosos a escala de un
prototipo educacional.
Objetivos específicos:
• Desarrollar un modo de operación del Robot que me permita mover
articulación por articulación independientemente (Modo de Operación
Ejes Específicos).
• Desarrollar un modo de operación del Robot que me permita mover el
Efector Final (Pinza) mediante coordenadas cartesianas (Modo de
Operación Coordenadas xyz).
1. Selección del Manipulador Robótico 5 GDL (5 Grados de Libertad).
2. Selección de Hardware y software para el desarrollo de las Estaciones.
3. Resolución de los Problemas Cinemáticos Directo e Inverso del Robot (4 GDL
considerados).
4. Diseño de la Interfaz Gráfica en el Software LabVIEW con los dos modos de
operación del Robot.
5. Desarrollo de la Programación en la Estación Local.
6. Diseño e implementación del sistema de comunicación inalámbrica.
7. Desarrollo del Algoritmo del microcontrolador de la Estación Remota (Robot).
8. Pruebas de Funcionamiento
Mediante el HMI, se considera de manera primordial el posicionamiento del extremo del
efector final, más no su orientación. En consecuencia, para la resolución del problema
cinemático del manipulador se lo analizó como una cadena cinemática de cuatro grados
de libertad, apartando del análisis el movimiento de rotación de la muñeca, el mismo que
forma parte de la orientación del efector más no de su posicionamiento. El movimiento de
apertura-cierre del gripper tampoco es considerado como parte de la cadena cinemática
para el análisis.
Para verificar el posicionamiento del manipulador sobre el área de trabajo, el usuario
mediante el modo COORDENADAS xyz (mm) del HMI, define los valores de las
coordenadas rectangulares hacia los cuales debe dirigirse el extremo del robot.
Para estimar la operación del manipulador, se han definido diez valores de coordenadas
en el espacio (x,y,z), y se verifica que el extremo del robot se dirija hacia dichas
coordenadas. Como se puede observar los valores deseados de posición en
comparación a los valores de mediciones físicas presentan un cierto valor considerable
de error relativo, esto debido a imperfecciones en la estructura mecánica, diseño
mecánico impreciso, servomotores de modelismo del manipulador, ya que es un robot
didáctico.
Se evidenció en las Pruebas de Funcionamiento del módulo didáctico la falta de
información de profundidad entregada por el video de las cámaras a la hora de
transportar el material peligroso encerrado en tubos de ensayo. Para el proyecto se
propuso la implementación de tres cámaras web, pero no es insuficiente para tomar las
decisiones de control, de modo que la teleoperación se realiza con línea de vista directa.
Conclusiones:
• Se desarrolló la interfaz amigable al usuario en la plataforma de programación visual
gráfica LabVIEW, que permite teleoperar el manipulador robótico mediante la
aplicación HMI ejecutada en cualquier computador que tenga instalado el software y
los toolkits necesarios.
• El HMI implementado permite el control del brazo robótico con un nivel de exactitud
aceptable y emula en gran parte la capacidad de posicionamiento de los sistemas de
control de los robots industriales.
• Al ser el brazo robótico un sistema didáctico, este presenta varias condiciones que
influyen en el error de posicionamiento mediante el sistema de control del HMI, entre
las que están de manera general: imperfecciones en la estructura mecánica, diseño
mecánico impreciso, servomotores de modelismo.
• Las cámaras web incorporadas al sistema de teleoperación son usadas únicamente
para supervisión ya que el operador deberá observar directamente la tarea que realice
el robot manipulador.
Recomendaciones:
• Para ampliaciones del proyecto se recomienda implementar un mejor método de
realimentación de información visual hacia usuario en la aplicación HMI, ya que solo
las tres cámaras hacen imposible la teleoperación del robot sin línea de vista directa al
módulo. Con esta mejora se podría utilizar módulos de comunicación inalámbricos de
mayor alcance que permitirían teleoperar al manipulador robótico sin línea de vista
directa.
• Realizar nuevos desarrollos en el ámbito de la teleoperación con nuevos módulos
inalámbricos y controladores de mejores prestaciones y robustez que se ofertan ya en
el mercado.