Este documento presenta el diseño de un sistema robótico que permite la retroalimentación háptica de un brazo manipulador teleoperado. El proyecto busca implementar el control bilateral entre un sistema maestro-esclavo para que el operador pueda sentir las fuerzas experimentadas por el dispositivo remoto. Se utilizó la metodología QFD para establecer los requerimientos y proponer un diseño que represente la solución óptima al problema planteado.
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.
Aplicaciones moderna de la computacionmasteranime2
El documento presenta información sobre varias aplicaciones modernas de la computación como la robótica, realidad virtual, inteligencia artificial, sistemas expertos, mecatrónica, cibercultura, nanotecnología, ofimática y biotecnología. Define cada tema y describe brevemente sus características y objetivos principales.
Este documento presenta una revisión prospectiva de las tendencias tecnológicas actuales y futuras en áreas como la tecnología de la información, la nanotecnología, el láser y las interfaces cerebro-máquina. Describe cómo estas tecnologías podrían evolucionar para permitir computadoras ubicuas, robots médicos a nanoescala, almacenamiento de datos a nivel molecular, comunicaciones ópticas y control cerebral de dispositivos. El documento también destaca el potencial de la minería de datos para extraer conocimiento útil de
El documento discute varios temas relacionados con la tecnología. Explica que la tecnología se ha convertido en algo fundamental en la sociedad y proporciona beneficios, pero también plantea preocupaciones sobre si en el futuro las máquinas podrían reemplazar a los humanos. Luego define la tecnología, la tecnología digital, la diferencia entre tecnología analógica y digital, la tecnología robótica, la nanotecnología y menciona algunos avances tecnológicos futuros como detectores de virus portá
El documento presenta definiciones y descripciones breves de diferentes aplicaciones de la robótica, incluyendo la robótica industrial, médica, educativa, militar, espacial, agrícola y domótica. También cubre temas como la inteligencia artificial y la nanotecnología.
Este documento describe el uso de Matlab para aplicaciones de robótica móvil. Matlab es un software matemático poderoso que se utiliza ampliamente en la academia y la industria. Incluye herramientas para el desarrollo de aplicaciones de robótica como el manejo de puertos seriales, interfaces gráficas y comunicación con sensores. El documento también explica conceptos clave como microcontroladores, sensores y comunicación de datos necesarios para entender las aplicaciones de robótica móvil.
El documento describe varias nuevas tecnologías relacionadas con la comunicación, incluyendo Skinput que permite usar la piel como pantalla táctil, Paperphone con una pantalla flexible plegable, y EmotionSense que usa reconocimiento de voz y sensores en teléfonos para evaluar las emociones humanas.
Tecnologías de la información y comunicación creadas en el año 2013Andrea Alarcon
Las tecnologías de la información y comunicación desarrolladas en 2013 incluyen interfaces avanzadas de comunicación como el control ocular y por voz, televisores 4K de alta resolución, láseres de cascada cuántica para generar radiación terahercio, implementaciones de interfaces cerebro-computador para vehículos robotizados, técnicas de modelado 3D para la web y transistores sinápticos capaces de aprender.
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Este documento describe la teleinmersión, una tecnología avanzada que permite la interacción entre personas a distancia de forma inmersiva. La teleinmersión utiliza sistemas de telecomunicación de alta velocidad para captar los movimientos y aspectos de los usuarios y transmitirlos a través de redes como Internet 2, permitiendo la manipulación compartida de datos y simulaciones como si los usuarios estuvieran juntos físicamente. La teleinmersión tiene aplicaciones potenciales en la educación, medicina y entrenamiento militar.
El documento trata sobre la cibernética, definida como el estudio del mando, el control, la regulación y el gobierno de sistemas. Se menciona que la cibernética está vinculada a la teoría general de sistemas y que su propósito es desarrollar un lenguaje y técnicas para abordar problemas de control y comunicación. También se define la telemática como el conjunto de servicios y técnicas que asocian las telecomunicaciones y la informática para ofrecer comunicación e información.
El documento presenta definiciones breves de varios temas relacionados con la tecnología y la ciencia como la cibernética, la telemática, la astronáutica, la robótica, la biotecnología y la nanotecnología. Explica que la cibernética se refiere al estudio del control y la comunicación de sistemas, la telemática combina las telecomunicaciones y la informática, la astronáutica estudia los viajes espaciales, la robótica se refiere a máquinas controladas electrónic
La cibernética estudia el control y la regulación de sistemas complejos. Se originó con Norbert Wiener y está vinculada a la teoría general de sistemas. Su objetivo es desarrollar un lenguaje y técnicas para abordar problemas de control y comunicación. La telemática combina las telecomunicaciones y la informática para ofrecer servicios de comunicación e información.
La cibernética estudia el control y gobierno de sistemas complejos. Fue introducido por primera vez por Norbert Wiener para referirse a la ingeniería humana. La telemática ofrece servicios de comunicación e información a través de redes como Internet, proporcionando rapidez y flexibilidad. La robótica involucra ingenios mecánicos controlados electrónicamente capaces de realizar operaciones de forma autónoma.
La cibernética estudia el control y la regulación de sistemas complejos, como seres vivos y sociedades. Norbert Wiener acuñó el término cibernética para referirse a la ingeniería del control humano. La telemática ofrece servicios de información a distancia como la telecopia y el acceso a internet a través de redes telemáticas. La robótica estudia máquinas mecánicas accionadas electrónicamente capaces de realizar tareas simples siguiendo instrucciones.
La cibernética estudia el control y regulación de sistemas complejos como seres vivos y sociedades. Se ocupa de cómo estos sistemas mantienen el equilibrio y se adaptan a cambios ambientales mediante mecanismos de control e ingresos y egresos predefinidos. La telemática ofrece servicios de información a distancia como telecopia e internet que aportan rapidez, flexibilidad y accesibilidad a la transmisión de datos. La robótica se refiere al diseño y uso de robots, máquinas mecánic
El documento describe un proyecto para diseñar e implementar un guante háptico y una pinza mecánica teleoperada que permitan detectar la forma y dureza de objetos de forma remota. El guante háptico proporcionará retroalimentación táctil y de fuerzas al usuario, mientras que la pinza mecánica y las cámaras permitirán manipular y ver los objetos de forma remota. El proyecto busca desarrollar esta tecnología en México para no depender de otros países.
El documento habla sobre la definición de robots y su historia. Explica que un robot es un dispositivo programable que puede realizar tareas mecánicas de forma más eficiente que los humanos. La palabra "robot" proviene del checo y fue utilizada por primera vez en la obra de Karel Capek en 1921. Los primeros robots industriales fueron creados en la década de 1950.
Este documento describe los avances de la inteligencia artificial y cómo podría aplicarse a los sistemas de comunicaciones como la radiofrecuencia, microondas y satelitales. Propone mejoras como permitir que las máquinas determinen la asignación más eficiente del espectro o encuentren rutas alternativas para enviar información. También discute ventajas como facilitar el trabajo humano y desventajas como el desempleo y los altos costos de implementación.
La robótica estudia el diseño y construcción de máquinas capaces de realizar tareas humanas o que requieren inteligencia, mientras que la domótica automatiza viviendas mediante sistemas de gestión energética, seguridad, bienestar y comunicación. Ambas han evolucionado hacia sistemas más autónomos e inteligentes, con la robótica desarrollando robots móviles y la domótica integrando más tecnología en el hogar para ahorrar energía y aumentar el confort y seguridad.
El documento define varios términos relacionados con la tecnología. Explica que la cibernética se refiere al estudio del control y gobierno de sistemas, la telemática combina las telecomunicaciones y la informática para ofrecer servicios de comunicación y datos, y la astronáutica es la ciencia e ingeniería de los viajes espaciales. También define la robótica como el estudio y desarrollo de robots mecánicos controlados electrónicamente, y la biotecnología como el uso de organismos vivos
El documento define y explica varios términos relacionados con la tecnología. Define la cibernética como el estudio del control y gobierno de sistemas complejos. Explica que la telemática combina las telecomunicaciones y la informática para ofrecer servicios de comunicación e información. Finalmente, indica que la astronáutica es la ciencia e ingeniería de los viajes espaciales y la robótica es el estudio y desarrollo de robots.
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La cibernética estudia el control y gobierno de sistemas complejos. Fue acuñado por Norbert Wiener para referirse a la ingeniería humana. La telemática combina las telecomunicaciones y la informática para ofrecer servicios como la telecopia e internet. La nanotecnología permite manipular la materia a escala atómica y molecular para crear nuevos materiales y sistemas.
La cibernética estudia el control y gobierno de sistemas complejos. Se originó con los trabajos de Norbert Wiener y está vinculada a la teoría general de sistemas. La telemática combina las telecomunicaciones y la informática para ofrecer diversos servicios como la telecopia y el acceso a Internet. La astronáutica es la ciencia de los viajes espaciales tripulados o no tripulados y ha aportado gran cantidad de datos científicos sobre el sistema solar y el universo.
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La cibernética estudia el control y gobierno de sistemas complejos. Se ocupa de desarrollar un lenguaje y técnicas para resolver problemas de control y comunicación. La regulación permite a los sistemas mantener su equilibrio dinámico mediante mecanismos que los ayudan a alcanzar estados predefinidos.
La cibernética estudia el control y gobierno de sistemas complejos. Se ocupa del estudio del mando, control, regulaciones y gobierno de sistemas. La telemática ofrece servicios de comunicación e información como la telecopia, teletexto e internet que permiten almacenar, recibir y procesar datos a distancia. La robotica estudia ingenios mecánicos accionados y controlados electrónicamente capaces de llevar a cabo secuencias simples y operaciones.
Diseño de Brazo Manipulador Háptico TeleoperadoDiego
Este documento presenta el diseño de un sistema robótico que permite la retroalimentación háptica de un brazo manipulador teleoperado. El proyecto busca implementar el control bilateral entre un sistema maestro-esclavo para que el operador pueda sentir las fuerzas experimentadas por el dispositivo remoto. Se utilizó la metodología QFD para establecer los requerimientos y proponer un diseño que represente la solución óptima al problema planteado.
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Similar a Diseño de Brazo Manipulador Háptico Teleoperado (20)
Diseño de Brazo Manipulador Háptico TeleoperadoDiego
Este documento presenta el diseño de un sistema robótico que permite la retroalimentación háptica de un brazo manipulador teleoperado. El proyecto busca implementar el control bilateral entre un sistema maestro-esclavo para que el operador pueda sentir las fuerzas experimentadas por el dispositivo remoto. Se utilizó la metodología QFD para establecer los requerimientos y proponer un diseño que represente la solución óptima al problema planteado.
Este documento presenta el diseño de un sistema robótico que permite la retroalimentación háptica de un brazo manipulador teleoperado. El proyecto busca implementar el control bilateral entre un sistema maestro-esclavo para que el operador pueda sentir las fuerzas experimentadas por el dispositivo remoto. Se utilizó la metodología QFD para establecer los requerimientos y proponer un diseño que represente la solución óptima al problema planteado.
Este documento describe el desarrollo de un proyecto para controlar de manera remota un brazo robot con retroalimentación háptica. El proyecto busca combinar las virtudes de la teleoperación y la háptica para permitir la manipulación a distancia con sensación de fuerzas. Se presenta una revisión de antecedentes, un análisis funcional de los requerimientos, y el diseño conceptual y detallado de un sistema maestro-esclavo que permita la teleoperación háptica.
Este documento presenta el proyecto de titulación para obtener el título de Ingeniero en Robótica Industrial. El proyecto consiste en el diseño e implementación de un sistema de teleoperación háptica de un brazo robot. El sistema permitirá controlar de forma remota el brazo robot a través de un dispositivo maestro que proporcionará retroalimentación háptica.
The document summarizes a student project to develop a haptic telecontrol system for remotely controlling a robotic arm with force feedback. The project aims to combine teleoperation and haptic technologies, which allows emulating opposition forces in environments that are out of reach. A team of students will work on designing the system under the guidance of advisers from their university. They will go through the process of justifying the need, reviewing related work, analyzing requirements, generating concepts, evaluating options, and selecting the winning concept to develop.
Este documento presenta un resumen de los antecedentes de la teleoperación y la tecnología háptica. La teleoperación ha existido desde la antigüedad cuando el hombre utilizaba herramientas para ampliar su capacidad de manipulación. En 1947 comenzaron las primeras investigaciones sobre sistemas maestro-esclavo para operar a distancia. Posteriormente se desarrolló lo que hoy se conoce como teleoperación maestro-esclavo, donde un manipulador esclavo reproduce fielmente los movimientos de un manipulador maestro
Este documento presenta un proyecto para desarrollar un sistema de teleoperación háptica de un brazo robot. El proyecto tiene como objetivo diseñar una interfaz que permita controlar remotamente un manipulador robot con retroalimentación de fuerzas. El documento revisa el estado del arte de la teleoperación y la háptica, y presenta ejemplos de sistemas que combinan estas tecnologías como los robónautas de la NASA.
1. 9º Congreso Nacional de Mecatrónica
Octubre 13-15, 2010. Puebla, Puebla.
Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Diseño de Brazo Manipulador Háptico Teleoperado
Alvarado Juarez Diego Armando, Butrón Castañeda Marco Antonio, Díaz Loyo Diego,
González García Luis César
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica – Unidad Azcapotzalco, Instituto Politécnico Nacional
Av. de las Granjas #682, Col. Sta. Catarina
Resumen
Este trabajo presenta el diseño de un
sistema robótico que permite la retroalimentación
háptica de un brazo manipulador teleoperado. En
este prototipo se pretende implementar el control
bilateral a un sistema robótico maestro-esclavo para
tener una retroalimentación por parte del dispositivo
remoto, en la cual se incluyen las fuerzas
experimentadas por dicho dispositivo, lo cual nos da
la oportunidad de experimentar una mayor sensación
de presencia en el ambiente remoto.
El proyecto parte de la problemática de
diseñar un sistema que combine las virtudes de las
tecnologías de la teleoperación y háptica, ya que es
difícil encontrar dispositivos o proyectos que
conjuguen estas áreas de la robótica, y los que
existen se encuentran en desarrollo o no son
comerciales.
En la elaboración de este diseño se utilizó la
metodología del Despliegue de la Función de
Calidad, QFD por sus siglas en ingles, con la cual se
establecen los requerimientos que deberán cumplirse
para solucionar la problemática dada. Para
satisfacer dichos requerimientos se propone una serie
de conceptos en una lluvia de ideas. Una vez que se
cuenta con una variedad de conceptos, se aplican
ciertos filtros para poder establecer el diseño que
represente la solución óptima al problema planteado.
Palabras clave: Teleoperación, háptica, QFD,
retroalimentación.
1. Introducción
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.
2. Antecedentes
Con el desarrollo de la tecnología, el hombre
ha tratado de entender su propio funcionamiento para
así, poder reproducirlo, como 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.
2.1 Teleoperación
La teleoperación es el conjunto de
tecnologías enfocadas a la operación o gobierno a
distancia de un dispositivo por un ser humano [2].
En 1947 en el Argonne National Laboratory
de Estados Unidos, Raymond Goertz lideró el
comienzo de las primeras investigaciones acerca del
desarrollo de un manipulador a distancia mediante el
uso de otro manipulador equivalente. Culminando en
1948 con el M1, primer manipulador teleoperado
mecánico, antecesor de toda la familia de sistemas
maestro-esclavo de telemanipulación existentes
actualmente.
Según Bejcsy [3] la capacidad manipuladora
del brazo y la mano humana, es extendida por el acto
de teleoperar, a ambientes remotos, físicamente
hostiles o peligrosos. Así, después de años de
2. 9º Congreso Nacional de Mecatrónica
Octubre 13-15, 2010. Puebla, Puebla.
Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
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 maestro, controlado a su vez por un
operador humano.
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:
• Dispositivo teleoperado.-Es la máquina que
trabaja en la zona remota y es controlada por
el operador.
• Teleoperador.-Es la persona que realiza el
control de la operación a distancia, su acción
puede ir desde un control continuo hasta
intervenciones intermitentes.
• 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.
F
igura 2.- Elementos básicos de un sistema de
teleoperación [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 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. [4]
2.2 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.
• 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,
suprimiendo prácticamente las limitaciones de
distancia, sin embargo se deben considerar
seriamente los tiempos de respuesta entre los
dispositivos utilizados.
2.3 Háptica
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Como 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 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 teleoperados.
Generando una interfaz háptica se permite al usuario
manipular objetos que virtualmente están presentes,
pero que 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.
2.4 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.
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.
2.5 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].
3. 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. En la
figura 3 se presentan las etapas fundamentales para
un diseño adecuado.
4. 9º Congreso Nacional de Mecatrónica
Octubre 13-15, 2010. Puebla, Puebla.
Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Figura 3.-Etapas de diseño
Para cumplir con estas 3 etapas se pretende
utilizar la metodología que propone el Despliegue de
la Función de Calidad ó QFD por sus siglas en inglés.
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.
3.1 Etapa 1.-Comprensión del Problema
Para poder comprender el problema es
necesario identificar la necesidad. Para este proyecto
la necesidad es diseñar una herramienta para realizar
pruebas de manipulación a distancia con la capacidad
de retroalimentación de fuerzas.
3.2 Etapa 2.- Diseño Conceptual
En esta etapa es en donde se lleva a cabo la mayor
parte del QFD. Esta metodología nos indica que una
vez que se ha identificado la necesidad, es necesario
considerar las exigencias técnicas que requerirá el
proyecto para satisfacer las expectativas del cliente.
3.2.1 Requerimientos
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 se indican en la
tabla 1.
3.2.2 Determinación de los Requerimientos
Deseables y su Importancia
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.
Tipo 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 UPA (Vol. de trabajo).
De apariencia -
De
manufacturabilidad
e instalación
Fácil instalación.
Fácil mantenimiento.
Durable.
De conservación Que sea Resistente.
Tabla 1.- Clasificación de los Requerimientos
En la tabla 2 se establece la separación entre
los requerimientos obligatorios y todos aquellos que
no son completamente indispensables para cumplir
con la necesidad, sin embargo, le dan plusvalía al
diseño en general.
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 2 ya se
encuentran en el orden de importancia que resulto de
la consideración de estos requisitos.
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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 UPA
Tabla 2.- Separación de Requerimientos Obligatorios y
Deseables
3.2.3 Metas de Diseño
Estas son de suma importancia para poder
establecer los alcances del proyecto. Al tener ya los
requerimientos obligatorios y deseables
perfectamente establecidos, es necesario traducirlos a
términos mensurables, lo que ayudará a establecer de
manera adecuada los límites que tendrá el sistema una
vez terminado.
Como paso en este punto, se utiliza una tabla
conocida como la casa de la calidad, la cual muestra
una comparación entre los requerimientos, tanto
obligatorios como deseables, con los términos
mensurables y sus respectivas metas de diseño.
3.2.4 Análisis Funcional
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.
Este mapa de funciones nos ayudará en el siguiente
paso para poder establecer la solución al proyecto en
cuestión.
3.2.5 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)
Donde C es el número de conceptos
generados.
Específicamente en este proyecto C alcanzó el
orden de los miles de millones; 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
Evaluación por disponibilidad tecnológica
Evaluación basada en los requerimientos del
cliente
Evaluación basada en matrices de decisión
4. 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 4)
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 4 Diseño Conceptual, Maestro
Dispositivo Esclavo (figura 5)
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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 5 Diseño Conceptual, Esclavo
Comunicación
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.
5. 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
Por último, como objetivo a corto plazo se pretende
terminar el Diseño a Detalle de dicho dispositivo, que
comprende el diseño mecánico de los dispositivos
maestro y esclavo (ya realizado),así como el
desarrollo de los sistemas eléctrico, electrónico y de
control.
Este tipo de dispositivos tienen una amplia gama de
aplicaciones que van desde la industria médica hasta
la industria nuclear, entre muchas otras. Es por esto
que es importante continuar con el desarrollo de estas
tecnologías.
Referencias
[1] Lederman, S., et. al.“Haptic processing of
facial expressions of emotion in 2D raised-line
drawings.” IEEE Transactions on Haptics,
2008.
[2] Nuño, E., Basáñez, L. “Teleoperación: técnicas,
aplicaciones, entorno sensorial y teleoperación
inteligente”, UPC, 2004
[3] Bejcsy, A. “Towards Development of Robotic
Aid for Rehabilitation of Locomotion-impaired
Subjects.” California Institute of Technology,
1993.
[4] NASA. “Telerobotics plan program.” 1997.
[5] Barrientos, A., et al., “Fundamentos de
Robótica” 2ª Edición. Ed. McGraw Hill. 2007.
[6] Braun, E. “El Saber y los Sentidos” 2ª Edición.
Ed. Fondo de Cultura Económica.1997.
[7] Kutchenbecker, K., et. al. “Haptic Display of
Contact Location”. 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, 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. 2006.