Manipulador Haptic 5 dof Quanser

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5-DOF Haptic Wand
Universidad Autónoma del Carmen, Facultad de Ingeniería
Taller de Formación Temprana de Investigadores
Francisco Javier Alejo Chan
Resumen—En este reporte de explica como se realizó la
instalación física del manipulador 5-DOF Haptic Wand, el cual
se encuentra en el laboratorio de robótica de la facultad de inge-
niería. Por lo que una vez armado el cableado del manipulador
se dio a la tarea de comprobar que funcionaba correctamente
probando los demos que incluye el fabricante y ejecutarlos en
MATLAB/Simulink.
I. OBJETIVOS
Armar el cableado del manipulador 5-DOF Haptic Wand
de Quanser y probar los demos incluidos por el fabricante
mediante MATLAB/Simulink.
II. MARCO TEÓRICO
El 5-DOF manipulador de doble pantógrafo fue original-
mente diseñado y construido por el profesor Tim Salcudean,
de la Universidad de British Columbia, Vancouver, Canadá,
para llevar a cabo la investigación de la háptica. Quanser 5-
DOF Wand, basado en el diseño original de Salcudean, avanza
en el robot de accionamiento redundante en una herramienta
de investigación de comercial robusto. El desarrollo de este
producto hace que el 5-DOF Haptic pantógrafo este a disposi-
ción de los hápticos y la comunidad de teleoperación en todo
el mundo.
Figura 1. 5-DOF Haptic Wand
El robot 5-DOF Wand es un robot actuador que se puede
utilizar para aplicaciones robóticas, así como aplicaciones háp-
ticos. La interfaz tiene cinco grados de libertad que permiten
tres traslaciones y dos rotaciones (balanceo y cabeceo). Esto se
logra mediante el uso de una disposición de doble pantógrafo.
Cada pantógrafo es accionado directamente por dos motores
de corriente continua en sus hombros y otro motor de corriente
continua, más potente, en su cintura. La vara de control está
conectado a los dos puntos finales de cada pantógrafo a través
de juntas universales (U-articulaciones). La guiñada alrededor
del eje de la varita (es decir sexto DOF) es pasiva y sin
límites para una mejor comodidad de la mano humana. Hecho
de materiales ligeros, la masa del wand equivalente en toda
su área de trabajo se minimiza aún más por dos contrapesos
ajustables montados en ambas articulaciones de la cintura.
El Poder de los seis motores se entrega usando amplifica-
dores de potencia de corriente lineales de Quanser, mientras
que las posiciones del eje del motor se miden utilizando
codificadores ópticos de alta resolución. El sistema se controla
a través de un PC con Q8 (HIL) placa de control hardware de
Quanser. El sistema Wand 5-DOF se suministra con software
QUARC y ejemplos de aplicación flexibles de Quanser para
llevar a cabo un control en tiempo real utilizando MATLAB
/ Simulink.
II-A. Componentes Principales
Quanser Amplificador de Potencia QPA-L4-E: El 5-DOF
utiliza dos amplificadores de potencia de la serie QPA-L4-
E. El QPA-L4-E es un montaje en rack chasis que contiene
cuatro amplificadores de corriente lineales. Uno QPA-L4-E
proporciona energía a los cuatro motores del hombro a través
de cuatro amplificadores de corriente lineales mientras la otra
unidad QPA-L4-E ofrece una potencia de los dos motores de la
cintura (sólo se utilizan dos de los cuatro canales). Las señales
desde y hacia el robot 5-DOF se canalizan a través de los dos
amplificadores a la tarjeta de adquisición de datos de Q8. El
QPA-L4-E tiene dos fuentes de alimentación internas indepen-
dientes. Fuente de alimentación 1 opera amplificadores 0 y 1,
mientras que la fuente de alimentación 2 opera amplificadores
2 y 3.
Figura 2. Quanser Power Amplifier: QPA-L4-E
Q8 HIL Board: El amplificador de potencia y el robot de
doble pantógrafo están diseñadas para ser totalmente compa-
tible con la tarjeta Q8 (HIL).

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Figura 3. Tarjeta Q8(HIL)
Q8-Dual-QPA Adapter Box: El Q8-To-Dual-QPA Box
Adaptador contiene un tablero de interconexión con dos am-
plificadores de potencia Quanser del 5-DOF Wand (QPAs) a
la junta HIL Q8. el conector j9 de la placa tiene la etiqueta
de conector A en la caja y el conector J11 en el tablero
corresponde al conector B. Además, el panel de la caja frontal
adaptador también está equipado con un LED y un conector
jack para el pulsador de usuario.
Figura 4. Q8-Dual-QPA Adapter Box
Botón de paro de emergencia: El cable de parada de emer-
gencia tiene dos conectores de 6 pines mini-DIN que deben
ser conectados a los paneles frontales de ambos amplificador
de potencia. Todos los amplificadores lineales de seis de motor
se desactivan cuando el e-stop no está conectado o cuando la
dirección de stop está conectado con el botón rojo se empuja
hacia abajo. Los amplificadores deberán estar activo (es decir,
habilitar) si y sólo si el interruptor pulsador de seguridad
remota (también conocido como e-parada) está conectado y
deprimido.
Figura 5. Botón de paro de emergencia
Cable del motor: El cable del Motor lleva los cables
de alimentación del amplificador de potencia (QPA) para los
motores de corriente continua varita. En concreto, Cable motor
A se conecta con cuatro motores de hombro del 5-DOF Wand
mientras Motor Cable B se conecta a los dos motores de la
cintura.
Figura 6. Cable del motor
Cable del encoder: El cable del Encoder lleva las se-
ñales del codificador y requiere fuente de alimentación de
CC. Específicamente, Encoder Cable A se conecta a cuatro
codificadores del hombro del 5-DOF Wand mientras Encoder
Cable B se conecta a los dos motores de la cintura.
Figura 7. Cable del motor
I/O Cable: El cable I/O conecta desde el amplificador de
potencia (QPA) I/O SCSI 68 pines a la tarjeta de adaptador de
Q8 a QPA. Este cable de cinta plano lleva las señales del sensor
digital, y el amplificador de potencia con señales habilidatas
y desabilitadas. Específicamente, Cable I/O A se conecta al
conector A de la placa del adaptador Q8-To-QPA y QPA-L4-
E (QPA A), mientras que I/O Cable B conecta desde conector
B de la placa del adaptador a QPA-L4-E (QPA B).
Figura 8. Cable plano

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ID DESCRIPCIÓN
1 Placa de base
2 Marco
3 Brazo pantografo de fibra de carbono
4 Final de la manija de fibra de carbono
5 Articulación del hombro
6 Junta de la cintura
7 Contrapeso
8 Junta universal
9 Calibración Jig
10 Tornillo de calibración
11 Interruptor Gimbal
12 Articulación del hombro
13 Articulación de la cintura
14 Conector de entrada digital
15 Conector del motor del hombro
16 Conector del motor de la cintura
17 Conector del codificador del hombro
18 Conector del codificador de la cintura
Tabla 1. Número de cada componente
III. METODOLOGÍA
Figura 9. 5-DOF Wand Nomenclature: Vista de Frente
Pasos que se siguieron para conectar el cableado del 5-DOF
Haptic Wand.
Paso 1. Push Button De Emergencia Cables - Cables
1A y 1B : Conecte uno de los dos cables de parada de
emergencia (es decir, el cable 1A) al conector con la
etiqueta E-STOP en QPA A y el otro cable de parada de
emergencia (es decir, el cable 1B) para QPA B. Presione
el botón rojo para desactivar el sistema.
Figura 10. QPA A Power Amplifier Connections
Figura 11. QPA B Power Amplifier Connections
Paso 2. Encoder Cable A - cable 2: Conecte Encoder
Cable A entre el conector QPA A ENCODER y la parte
trasera del robot Wand 5-DOF.
Figura 12. 5-DOF Wand Connections
Paso 3. Motor Cable A - Cable 3: Conecte el cable de
motor A al conector QPA A y la parte trasera del robot
wand 5-DOF.
Paso 4. I/O Cable A - cable 4: Conecte el I/0 de cinta
plana al Cable A partir de conector A (J9) de la placa
de adaptador de Q8-To-QPA al conector I/O en QPA A.
Figura 13. Q8-To-Dual-QPA Adapter Connections
Paso 5. Cables Q8 - Cables 5: Conecte los tres cables
de cinta planos Q8 del tablero HIL Q8 a la Q8-To-QPA
caja del adaptador.
Figura 14. Connecting The Q8-To-Dual-QPA Adapter
Paso 6. Encoder Cable B - Cable 6: Conecte Encoder
Cable B entre el conector QPA B ENCODER y la parte
trasera del robot Wand 5-DOF.
Paso 7. Motor Cable B - Cable 7: Conecte Motor cable
B a la QPA B MOTOR conector y la parte posterior de
la 5-DOF robot varita.
Paso 8. I/O Cable B - cable 8: Conecte el I/O de cinta
plana Cable B del conector B (J11) de la placa de
adaptador de Q8-To-QPA al conector I/O en QPA B.]
Paso 9. Cable Digital Input - Cable 9: Conecte el cable
mini-DIN desde el conector de entrada digital situado en
el panel de la fuente del QPA al conector situado en el
panel posterior de la 5-DOF Wand.
Paso 10. El sistema está conectado totalmente. Puede

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iniciar el PC. El LED verde situado en frente de la caja
Adaptador Q8-To-Dual-QPA debe encenderse. Si no es
así, se debe reemplazar el fusible de 1 A en el tablero
de interfaz.
Paso 11. Cuando encienda QPA A y B QPA las siguientes
luces deben estar en: 1) LED POWER: Indica que el QPA
correspondiente se enciende y su fuente de alimentación
interna (s) están en funcionamiento. 2) LED E-STOP: In-
dica que el botón de parada de emergencia está deprimido
(o desconectado). 3) Fault LED: Cada LED indica que
los cuatro amplificadores de corriente lineales no están
habilitadas (es decir, incapacitado).
III-A. Prueba de los demos en MATLAB/Simunlink
Calibración:
Paso 1. Se enciende los drivers QPA A Y QPB.
Paso 2. El manipulador Haptic debe estar en posición de
Home.
Paso 3. Se abre el archivo q_5dof_wand_calib.mdl en
MATLAB/Simulink
Figura 15. Menú de calibración de Simulink
Paso 4. Se da doble clic sobre el bloque HIL Initialize 1,
se escribe 0 si se tiene instalado una tarjeta Q y 1 cuando
se tiene instalado 2 tarjetas Q.
Paso 5. En el Simulink, se da clic en QUARC y se
selecciona Build.
Paso 6. Se da clic en Run y empieza la calibración.
Paso 7. Terminado la calibración, se detiene oprimiendo
el botón STOP.
Pruebas de señales de entrada y salida:
Pruebas de entradas encoder:
Paso 1. Abra el archivo q_5dof_wandio_tester.mdl en
MATLAB/Simulink.
Figura 16. Diagrama de Simulink utilizado QUARC para
probar señales IO del 5 DOF Wand
Paso 2. Correr el archivo setup_wand.m en MATLAB.
Paso 3. Se da doble clic sobre el bloque HIL Initialize
1, se escribe 0 si se tiene instalado una tarjeta Q8 y 1
cuando se tiene instalado 2 tarjetas Q8.
Paso 4. En el Simulink, se da clic en QUARC y se
selecciona Build.
Paso 5. Asegúrese de que el interruptor Open/Closed
Loop está establecido en la posición hacia abajo .open-
loop mode".
Paso 6. También, asegúrese de que todos los interruptores
en el subsistema de Open Loop Voltage se ponen a
la baja, en motor OFF posición, para asegurar que los
motores no van a ser conducido y el wand tenga libertad
para moverse.
Paso 7. Se hace clic en RUN en simulink y comienza a
correr el controlador.
Paso 8. En el diagrama de bloques scopes, se da doble
clic y se pueden seleccionar los scopes de los diferentes
encoder para observar sus mediciones.
Paso 9. Se mueve el wand para observar los cambios en
los scopes.
Paso 10. Se pueden observar las medicones en el plano
cartesiano haciendo clic en Cartesian Plant block, y abrir
x (mm), y (mm), z (mm), yaw (deg), and roll (deg)
scopes.
Paso 12. Se detiene el controlador haciendo clic en STOP.
Digital Outputs And Inputs Testing
Paso 1. Asegúrese que el controlador
q_5dof_wand_io_tester.mdl se este ejecutando en
open-loop.Y que el botón de paro de emergencia se
encuentra liberado y que los LED FAULT en los dos
módulos QPA están en 0.
Paso 2.Cuando el controlador está en ejecución los LEDs
ENABLE en ambos QPAs debe ser iluminados en verde
y los de estados de los Amplificadores Medidores di-
gitales en q_5dof_wand_io_tester deben ser 0. Presione
el interruptor de parada de emergencia y verifique que
los LED FAULT se encienden y los medidores de estado
del Amplificador se pongan a 1. Esto significa que los
amplificadores se desconectan y no puede conducir el
actuador.
Paso 3. Verifique que el medidor digital de la fuente de
alimentación es de 0.
Paso 4. Presionar el botón de paro de emergencia y
observar que los LEDS FAULT se pongan en rojo y la
medición del amplificador de digital cambie a 0.
Position Control Example: Tracker
Paso 1. Abrir el archivo q_5dof_wand_tracker.mdl en
Simulink.
Figura 17. Diagrama de Simulink utilizando QUARC Tracker
del 5 DOF Wand
Paso 2. Correr el archivo setup_wand.m en MATLAB.
Paso 3. Se da doble clic sobre el bloque HIL Initialize
1, se escribe 0 si se tiene instalado una tarjeta Q8 y 1
cuando se tiene instalado 2 tarjetas Q8.

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Paso 4. En el Simulunk, se da clic en QUARC y se
selecciona Build.
Paso 5. Mueva el Wand a la posición central donde
se encuentra aproximadamente el centro del espacio de
trabajo.
Paso 6. Haga clic en el botón RUN en la barra de
herramienta de modelo de Simulink para empezar a
ejecutar el controlador. Mango efector final del Wand
debe realizar un seguimiento de una trayectoria de cubo
de 30 mm (largo de los ejes x, y, z) y debe girar 20
grados entre cada esquina en los giros sobre su balanceo
y cabeceo.
Paso 7. Se pueden observar las mediciones en el plano
cartesiano haciendo clic en Cartesian Plant block, y abrir
x (mm), y (mm), z (mm), yaw (deg), and roll (deg)
scopes.
Paso 8. Para cambiar las trayectorias del Setpoint , entra
en el subsistema Setpoint y variar los valores en los
bloques de ganancia. Por ejemplo, para disminuir la
rotación alrededor del eje x, es decir, la guiñada, reducir
el alpha_x_r (deg) Ganancia cuadra de 20 hasta un valor
tal como 15 grados.
Paso 9. Se detiene el controlador haciendo clic en STOP.
Virtual Reality Example: Esfera
Paso 1. Abrir el archivo q_5dof_wand_vr_sphere.mdl en
Simulink.
Figura 18. Wand y esfera virtual
Paso 2. Correr el archivo setup_wand.m en MATLAB.
Paso 3. Se da doble clic sobre el bloque HIL Initialize
1, se escribe 0 si se tiene instalado una tarjeta Q8 y 1
cuando se tiene instalado 2 tarjetas Q8.
Paso 4. En el Simulink, se da clic en QUARC y se
selecciona Build.
Paso 5. Mueva el Wand a la posición central donde se
encuentra aproximadamente en el centro del espacio de
trabajo.
Paso 6. Haga clic en el botón RUN en la barra de
herramienta de modelo de Simulink.
Paso 7. Mueva el Wand en el dispositivo y observe
cómo la wand virtual en la ventana VR Sink se mueve
proporcionalmente.
Paso 8. Se detiene el controlador haciendo clic en STOP.
IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Figura 19. Motores
Encoder Inputs Testing
Se obtuvieron las siguientes gráficas de los motores :
Figura 20. Motores 1 y 2
Figura 21. Motores 3 y 4
Figura 22. Motores 5 y 6
También se tomaron las gráficas de los ejes obteniendo las
siguientes: x, y, z, roll y yaw.

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Figura 23. Plano x
Para el eje x el movimiento físico del wand resultó ser a los
costados, de derecha a izquierda o derecha a izquierda.
Figura 24. Plano y
Para el eje y el movimiento físico del wand resultó ser hacia
adentro y hacia afuera. Empujándolo y extrayendo.
Figura 25. Plano z
Para el movimiento en z resultó al mover el wand hacia arriba
y hacia abajo.
Figura 26. Yaw
Para el yaw, resultó al mover la junta principal como un
movimiento de muñeca hacia arriba y abajo. Sin empujar las
demás juntas, sola la principal.
Figura 27. Roll
Para el movimiento roll, resultó al mover la junta principal co-
mo un movimiento de la muñeca hacia los costados. También
sin mover las demás juntas.
Position Control Example: Tracker Al correr el demo de
Tracker se obtuvieron las siguientes gráficas de los scopes para
cada eje.
Figura 28. Tracker eje x

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Figura 29. Tracker eje y
Figura 30. Tracker eje z
Figura 31. Tracker yaw
Figura 32. Tracker roll
Virtual Reality Ejemplo: Esfera
Se comprobó el movimiento tanto físico del wand como
virtual en el simulador, lo cual se puede observar en la
siguiente imagen.
Figura 33. Movimiento virtual
V. CONCLUSIONES
El manipulador 5-DOF Haptic Wand al hacer el cableado,
encenderlo y al probar los demos que vienen incluidos por el
fabricante, se puede concluir que el funcionamiento es correcto
y pueda ser utilizado para futuros trabajos ya sea de tesis para
titulación o tesis de maestría. Siguiendo el manual de Quanser
se pudieron hacer todas las pruebas y el cableado del hardware.
REFERENCIAS
[1] Quanser, 5-DOF Wand Reference Manual.