Presentación final del proyecto para obtener el título de ingeniero en robótica industrial teleoperación háptica de brazo robot

2. TELEOPERACIÓN
HÁPTICA DE BRAZO
MANIPULADOR
Proyecto Terminal

3. 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 Cianca
M. en C. Abraham Martínez García

4. 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

5.  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

6. 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.

7. Estado del Arte
“Un hombre
con una idea
nueva es un
loco hasta
que la idea
triunfa”
Mark Twain

8. Teleoperación
 Conjunto de tecnologías
enfocadas al gobierno a
distancia de un
dispositivo.
 Teleoperador
 Dispositivo
teleoperado
 Interfaz
 Sensores
 Efectores
Definición Componentes

9. Teleoperación

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

11. Háptica

12. Teleoperación Háptica

13. Objetivos ParticularesDiseñoy
simulación
 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

14. Etapas del proceso de diseño
“En los
momentos
de crisis,
sólo la
imaginación
es más
importante
que el
conocimient
o”
Albert
Einstein

15. Diseño Conceptual
MetodologíaQFD
• Identificar la
Necesidad
Paso 1
• Requerimient
os del Cliente
Paso 2
• Importancia
de los
requerimiento
s
Paso 3
• Benchmarkin
g
Paso 4
• Términos
Mensurables
Paso 5
• Metas de
Diseño
Paso 6

16. Conceptos Ganadores
 Servomotor
brushless
 Engranes
 Encoders
incrementales

Microcontrolado
r
 PC
 Servomotor
brushless
 Engranes
 Sensor de
fuerza
 Encoders
incrementales

Microcontrolador
 PC
Maestro Esclavo Comunicación
 RS232
 TCP/IP
 Puerto Serial
 Par trenzado

17. Conceptos Ganadores
Maestro Esclavo Comunicación

18. 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

19. 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

20. 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

21. Selección de Motores
Harmonic
Drive

22. 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

23. 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

24. Transmisión
Ecuación de
Soderberg
Teoría del esfuerzo
cortante máximo

25. Diseño Eléctrico-Electrónico

26. 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

27. 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.

28. Sensores
Fuerza-Par Encoders

29. Programación y
Comunicación

30. Comunicación

31. Esquema de Funcionamiento

32. 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

33. Costo actual
Elcostodelproductoestá
delimitadoporvarios
factores:  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

34. 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

35. 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

36. Costo actual del producto

37. 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 =

38. 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

39. 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

40. Aplicación del análisis del valor
Factible?
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.

41. CONCLUSIONES

42. 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

43. 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