Teleoperación Háptica de Brazo Manipulador

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
LABORATORIO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS RENOVABLES
30 DE AGOSTO AL 3 DE SEPTIEMBRE 2010
PAGINA 1
DE 13
IR-18
Teleoperación Háptica de Brazo Manipulador
Diego Armando Alvarado Juarez1
, Marco Antonio Butrón Castañeda2
, Diego Díaz Loyo3
, Luis César
González García4
, Israel Vázquez Cianca5
, Sergio Viveros Bretón6
RESUMEN
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.
ABSTRACT
This paper presents the development of the conceptual design of a
device that allows the teleoperation of a robotic arm with haptic
feedback. The prototype objective is to implement the bilateral
control to a master-slave robotic system, because with this type of
control, a feedback from the remote device is obtained, which
gives us the opportunity to experiment in a more perceptive way
the telemanipulation. By adding to this feedback the force sensors
and its respective treatment, a greater feeling of presence in the
remote site is obtained at the local environment.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica – Unidad
Azcapotzalco, Instituto Politécnico Nacional
Av. de las Granjas #682, Col. Sta. Catarina,
C.P. 02250, México D.F.
1
daajuarez@yahoo.com, 2
ocram3124@hotmail.com,
3
didilo_r@hotmail.com, 4
lgonzalezg0600@ipn.mx,
5
isvaci@hotmail.com, 6
svbing2000@yahoo.com.mx
The Project starts at the problematic of designing a system that
combines the virtues of the teleoperation and the haptic
technologies, because it is really difficult to find devices or
projects that associates these robotic areas.
For the elaboration of this design, it was used the QFD (Quality
Functional Deployment) methodology, with which is established
the requirements for the system that are going to solve the given
problematic, and with this, a series of concepts that satisfy such
requirements can be proposed. Once it is counted with the
concepts, some filters, like technologic availability or feasibility,
must be applied in order to establish the design that represents the
optimal solution to the initial problem.
Palabras claves: QFD, háptica, teleoperación, retroalimentación,
control bilateral,
INTRODUCCIÓN
Hoy en día 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.
ANTECEDENTES
Desde hace tiempo, con el desarrollo de la tecnología, el hombre
ha tratado de entender su propio funcionamiento para así, poder
reproducirlo, como bien 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.
Teleoperación
Según Nuño [2], la teleoperación es el conjunto de tecnologías
enfocadas a la operación o gobierno a distancia de un dispositivo
por un ser humano.

PAGINA 2
DE 13
En 1947 comenzaron las primeras investigaciones, lideradas por
Raymond Goertz del Argonne National Laboratory en Estados
Unidos, encaminadas al desarrollo de algún tipo de manipulador de
fácil manejo a distancia mediante el uso por parte del operador de
otro manipulador equivalente. El primer logro se obtuvo en 1948
con el desarrollo del primer manipulador teleoperado mecánico,
denominado M1, antecesor de toda la familia de sistemas maestro-
esclavo de telemanipulación existentes actualmente. En la figura 1
podemos observar una fotografía correspondiente a Raymond
Goertz manipulando químicos a través de un cristal de protección,
hecha en 1948 en el Laboratorio Nacional de Argonne.
Figura1.- Primer Telemanipulador Maestro- Esclavo Mecánico
“Teleoperación: técnicas, aplicaciones, entorno sensorial y
teleoperación inteligente” [2].
Conforme a lo que dice Bejcsy [3] el acto de teleoperar extiende la
capacidad manipuladora del brazo y la mano humana a ambientes
remotos, físicamente hostiles o peligrosos. Así, después de años de
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 o manipulador maestro, controlado a su vez
manualmente por un operador humano. Se puede decir que es
entonces cuando la Teleoperación cobra importancia como
tecnología.
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:
• Teleoperador.- Es la persona que realiza el control de la
operación a distancia, su acción puede ir desde un control
continuo hasta intervenciones intermitentes.
• Dispositivo teleoperado.- Es la máquina que trabaja en la
zona remota y es controlada por el operador.
• 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.
Figura 2.- Elementos básicos de un sistema de teleoperación
“Teleoperación: técnicas, aplicaciones, entorno sensorial y
teleoperación inteligente” [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 según la NASA [4] 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.
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.

PAGINA 3
DE 13
• 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, medio que suprime prácticamente las limitaciones
de distancia, sin embargo limita seriamente en cuanto a los tiempos
de respuesta entre los dispositivos utilizados.
Háptica
Como bien 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 que incluyen
contacto, presión y golpeo. Además de ser sensibles a estos
incentivos, las terminales nerviosas de la piel también responden a
estímulos de calor, frío o dolor. En otras palabras, es la sensación
evocada por la piel cuando se somete a 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 tele-operados. Generando una interfaz háptica se
permite al usuario manipular objetos que virtualmente están
presentes, pero 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.
Las investigaciones referentes a la háptica se pueden clasificar en
tres ramas, las cuales se visualizan en la figura 3 y se describen a
continuación:
• Háptica humana.-Se refiere al estudio de los
componentes que posee una persona para sentir y
manipular su entorno por medio del tacto.
• Háptica de máquinas.-El campo que estudia y produce
dispositivos de hardware que permiten a la gente
interactuar con las computadoras.
• Háptica de computadoras.-Se refiere al campo que
estudia los algoritmos de interpretación háptica para
crear los efectos deseados con una interfaz háptica.
Figura 3.- Ramas de la háptica
Como resultado se desarrollaron una gran variedad de dispositivos
con el objetivo de probar algunas teorías en relación con la
percepción táctil humana para poder continuar con el desarrollo de
esta tecnología.
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.

PAGINA 4
DE 13
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.
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].
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 (ver
figura 4). Lo cual se pretende lograr mediante el uso de la
metodología que propone el Despliegue de la Función de Calidad
(ver figura 5) ó QFD por sus siglas en inglés, (Quality Function
Deployment), 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.
Etapa I del Proceso de Diseño
Identificación de la necesidad
Diseñar una herramienta para realizar pruebas de manipulación a
distancia con la capacidad de retroalimentación de fuerzas.
Requerimientos
En la metodología QFD lo primero que se hace es considerar “qué”
exigencias técnicas se requieren para cumplir las expectativas del
cliente. Por lo cual 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 podemos observar
en la tabla 1.
Figura 4.- Etapas de la Metodología de Diseño
Figura 5.- Metodología del Q.F.D.
Requerimientos Deseables
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.
En la tabla 2 se exponen todos aquellos requerimientos que no son
completamente indispensables para cumplir con la necesidad, sin
embargo, le dan plusvalía al diseño en general.

PAGINA 5
DE 13
Tabla 1. Clasificación de los requerimientos
Tipo de requerimiento 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
Azcapotzalco (Volumen de trabajo).
De apariencia
De manufacturabilidad e
instalación
Fácil instalación.
Fácil mantenimiento.
Durable.
De conservación Que sea Resistente.
Determinación de la Importancia de los Requerimientos
Deseables
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 3 se visualiza la
consideración de estos requisitos:
Como se observa en la tabla 4, el requerimiento deseable más
importante es afectar poco al sistema con retardos, pues en un
sistema teleoperado, éste es uno de los mayores problemas a
enfrentar.
Traducción a Términos Mensurables
Los “Como’s”: se trata de encontrar las especificaciones para
satisfacer las necesidades funcionales. Es importante traducir los
requerimientos a términos medibles para poder con éstos establecer
nuestras metas de diseño, así como identificar desde un punto de
vista ingenieril, que es lo que en realidad quiere el cliente.
Tabla 2 Requerimientos Obligatorios y Deseables
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
involuntarios
Bajo costo
Sentir las fuerzas que actúan en el esclavo Fácil mantenimiento
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
Azcapotzalco (Volumen de trabajo)
Tabla 3 Ponderación de los Requerimientos Deseables
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 Σ+ %
D1 - - - + - - - - 1 2.78
D2 + - + - - - - - 2 5.56
D3 + + + + + + + + 8 22.22
D4 + - - + + - - - 3 8.33
D5 - + - - - - - - 1 2.78
D6 + + - - + - - - 3 8.33
D7 + + - + + + - - 5 13.89
D8 + + - + + + + - 6 16.67
D9 + + - + + + + + 7 19.44
Total 36 100
Tabla 4 Importancia de los Requerimientos Deseables
No. Requerimiento % Σ+
D3 Afectar poco al sistema con retardos 22.22 8
D9 Buena manejabilidad 19.44 7
D8 Resistente 16.67 6
D7 Durable 13.89 5
D6 Intuitivo para el operador 8.33 3
D4 Bajo costo 8.33 3
D2 Fácil mantenimiento 5.56 2
D1 Fácil instalación 2.78 1
D5 Solo una mano requerida para su operación 2.78 1
Total 100 36
En la tabla 5 se encuentran los requerimientos de este proyecto
traducidos a términos mensurables.

PAGINA 6
DE 13
Metas de Diseño
Casa de la Calidad
Muestra una comparación entre los requerimientos, tanto
obligatorios como deseables, con los términos mensurables y sus
respectivas metas de diseño. Esta comparación nos indica que tanta
relación tienen unos con otros y en este trabajo se representa con 3
cifras:
 1 – Poca o ninguna relación
 3 – Algo de relación
 5 – Mucha relación
En las tablas 6 y 7 se muestra la comparación entre los
requerimientos obligatorios y deseables respectivamente, además
se observa lo que son las metas de diseño de cada requerimiento.
Etapa II del Proceso de Diseño
Funciones de Servicio
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.
En las siguientes figuras se observan todas las operaciones que
deberá realizar el dispositivo, las cuales se clasificaron en tres
distintas áreas que son: la manipulación, el procesamiento y la
comunicación.
En la figura 6 se encuentran aquellas funciones procedentes o
relacionadas con el procesamiento de datos y la telecomunicación.
Específicamente en la figura 7 se visualizan todas las funciones
que se derivan de la manipulación y aquellas funciones que se
derivan de la principal. Aquí se incluye la representación de
fuerzas y de movimientos tanto por parte del maestro como del
esclavo. Además el sensar distintas variables que son
indispensables para poder realizar la retroalimentación háptica.
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)
Tabla 5 Términos Mensurables de Ingeniería
No. Requerimiento Termino mensurable
1
Entradas/Salidas analógicas (Medir
magnitudes físicas)
Poseer elementos de sensado
de fuerza [N], posición
[cm][grados], velocidad[m/s]
2 Paro en caso de emergencia
Contar con mecanismos de
emergencia. (botón de paro)
[#]
3 Fácil instalación
Tiempo de instalación corto.
[hr]
4
Fácil
mantenimiento
Disponibilidad de
refacciones
Tiempo de adquisición de
refacciones[dd]
Mantenimiento
Tiempo promedio del
mantenimiento de rutina[hr]
5
Configuración cinemática similar al
brazo humano
Morfología articular. GDL
[#]
6
Velocidad de movimiento.
[m/s]
7
Afectar poco al sistema con retardos Tiempo de retardo[s]
Ancho de banda suficiente para
realimentar de manera realista.
Ancho de banda. [Hz]
8 Bajo costo
Costo por el material. Pesos
[MXN]
Tiempo de manufactura- [hr]
9
Solo una mano requerida para su
operación
Operable a una mano. [#]
10 Intuitivo para el operador
Tiempo para aprender a
utilizar el dispositivo [hr]
11 Limitar fuerzas y velocidades
Fuerza máxima que se pueda
ejercer equiparable al brazo
humano [N]
Velocidad máxima que no
sobrepase a la del operador
[m/s]
12
involuntarios
Filtración de movimientos
rápidos [m/s]
13
Sentir las fuerzas que actúan en el
esclavo
Retroalimentación de las
fuerzas de oposición en el
maestro [N]
14
movimientos del maestro
Fiabilidad de
posicionamiento.[% de error]
15 Carga de trabajo de 0.5 kg
Soportar la carga máxima en
el efector final [Kg]
16
Debe tener una pinza de propósito
general (Gripper con dedos)
Contar con efector final con
dedos [#]
17 Durable Tiempo [años]
18
Instalable en cualquier aula de la
ESIME Azcapotzalco(Vol. de trabajo)
Volumen [m^3]
19 Resistente
Impactos Impactos imprevistos. [N]
Deflexión Deflexión. [mm], [grados]
20
Accionamiento eléctrico (motores de
C.D.)
Torque [Nm]
21 Fácil de mover o frenar
Fuerza[N], Momento de
Inercia [N*m]
22 Buena manejabilidad
Fuerza [N], Coeficiente de
fricción
Peso soportado por el
usuario [N]

PAGINA 7
DE 13
Tabla 6 Casa de la Calidad I: Obligatorios
Términosmensurables
Poseerelementosdesensadode
fuerza[N],posición[cm][grados],
velocidad[m/s]Contarconmecanismosde
emergencia.(botóndeparo)[#]
Morfologíaarticular.GDL[#]
Velocidad[m/s]
Fuerzamáxima[N]
Filtracióndemovimientosrápidos
[m/s]
Retroalimentacióndelasfuerzasde
oposiciónenelmaestro[N]
Fiabilidaddeposicionamiento.[%de
error]
Cargamáximaenelefectorfinal[Kg]
Contarconefectorfinalcondedos[#]
Volumen[m^3]
Torque[Nm]
Requerimientos
OBLIGATORIOS
Entradas/Salidas analógicas (Medir magnitudes físicas) 5 3 5 5 5 5 5 3 5 1 3 5
Paro en caso de emergencia 3 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Configuración cinemática similar al brazo humano 5 1 5 5 5 5 3 1 3 5 3 3
Limitar fuerzas y velocidades 5 1 5 5 5 5 3 3 5 1 1 3
Evitar vibraciones o movimientos involuntarios 5 1 5 5 5 5 5 5 5 1 1 5
Sentir las fuerzas que actúan en el esclavo 5 1 3 3 3 5 5 5 5 3 1 5
Reproducir de manera confiable los movimientos del maestro 3 1 1 1 3 5 5 5 1 1 1 1
Carga de trabajo de .5 kg 5 1 3 3 5 5 5 1 5 1 1 5
Debe tener una pinza de propósito general (Gripper con dedos) 1 1 5 5 1 1 3 1 1 5 1 3
Instalable en cualquier aula de la ESIME Azcapotzalco (Volumen de trabajo) 3 1 3 3 1 1 1 1 1 1 5 3
Accionamiento eléctrico (motores de C.D.) 5 1 3 3 3 5 5 1 5 3 3 5
Fácil de mover o frenar 5 1 5 5 5 5 5 3 5 3 1 5
Metas de Diseño
0-20N
Mínimo2
Mínimo3
0,05-0,15m/s
20N
Filtrarvelocidadesfuera
delrango.05-.15m/s
0-20N
<10%
0.5Kg
Mínimo2
1-8m^3
Torquecapazdemover
cargamáximade40N

PAGINA 8
DE 13
Tabla 7 Casa de la Calidad II: Deseables
Términosmensurables
Tiempoderetardo[s]
Fuerza[N],coeficientedefricción
Impactosimprevistos.[N]
Tiempo(años)
Tiempoparaaprenderautilizarel
dispositivo[hr]
Costoporelmaterial.Pesos[MXN]
Tiempodeadquisiciónde
refacciones[dd]
Tiempodeinstalacióncorto.[hr]
Operableaunamano.[#]
Requerimientos
DESEABLES
Afectar poco al sistema con retardos 22.22% 5 3 1 1 1 3 1 1 1
Buena manejabilidad 19.44% 3 5 1 3 1 3 1 1 1
Resistente 16.67% 1 1 5 5 1 3 1 1 1
Durable 13.89% 1 3 5 5 1 3 3 1 1
Intuitivo para el operador 8.33% 1 1 1 1 5 1 1 3 5
Bajo costo 8.33% 3 3 3 3 1 5 5 3 1
Fácil mantenimiento 5.56% 1 1 1 3 1 5 5 3 1
Fácil instalación 2.78% 1 1 1 1 3 3 3 5 1
Solo una mano requerida para su operación 2.78% 1 1 1 1 5 1 1 1 5
Metas de Diseño
<.5s
Bajafricción
Queresistahasta
20N
Duraciónmínima
de5años
<30minutos
$300000
1-3días
<2horas
1mano
Figura 6 Mapa de funciones A

PAGINA 9
DE 13
Figura 7 Mapa de Funciones B

PAGINA 10
DE 13
En las tablas 8A, 8B y 8C se pueden observar las más de veinte mil
millones de posibles soluciones que resultaron de la lluvia de
ideas. 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
o En este filtro se eliminaron los conceptos que
por su naturaleza no resultan viables para el
cumplimiento de la función, dado lo que ya se
conoce acerca del proyecto.
 Evaluación por disponibilidad tecnológica
o Al utilizar este filtro se descartan todos
aquellos conceptos que impliquen tecnología
no disponible en el país, o simplemente fuera
de nuestro alcance.
 Evaluación basada en los requerimientos del cliente
o Aquí, se toman en cuenta todos los
requerimientos proporcionados por el cliente y
realizamos un análisis para ver con cuales de
las posibles soluciones se cumplen y con
cuales no, eliminando los que nos den un
resultado negativo.
 Evaluación basada en matrices de decisión
o Por último utilizamos una matriz de decisión
(Matriz de Pugh) con la cual al contar con un
número más reducido de posibilidades,
hacemos una comparación entre éstas y vemos
cual de todas cumple con el mayor número de
requerimientos deseables, siendo ésta la
solución más pertinente para la problemática
planteada inicialmente.
En esas mismas tablas se observan los conceptos que fueron
eliminados en distintos colores, cada uno haciendo referencia a un
filtro diferente:
 Factibilidad – Rosa
 Disponibilidad Tecnológica – Verde
 Requerimientos del Cliente – Azul
 Matriz de decisión – Naranja
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 8)
o 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 8 Diseño Conceptual, Maestro
 Dispositivo Esclavo (figura 9)
o 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 9 Diseño Conceptual, Esclavo

PAGINA 11
DE 13
 Comunicación
o 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.
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.
Tabla 8A Generación de conceptos Maestro
ti Maestro
Funciones Representar fuerzas
Transmitir
movimiento
Sensar
Controlar
Velocidad Posición
Soluciones
Servomotor C.A. Cadena Tacogenerador Potenciómetro PIC
Servomotor de imanes
permanentes
Banda Sensor Doppler Resolvers AVR
Motor a pasos Cable Girómetro Giroscopio PC
Frenos mecánicos Engranes Encoder Absoluto Encoder Absoluto PLC
Cilindro Hidráulico Encoder Incremental Encoder Incremental
A.H. Angular
A. N. Lineal
A.N. Angular
Servomotor C.D.
Tabla 8B Generación de conceptos Comunicación
Comunicación
Funciones Enviar y recibir datos
Conectar Protocolo
Alambrica Inalambrica
Soluciones
Fibra óptica Bluetooth Ethernet HTTP
Cable Coaxial Infrarrojo Puerto Serial FTP
Par trenzado Wi-Fi USB TCP/IP
FireWire P2P
RS232

PAGINA 12
DE 13
Tabla 8C Generación de conceptos Esclavo
Esclavo
Funciones
Representar
movimientos
Transmitir
movimiento
Sensar
Controlar
Velocidad Posición
Fuerza
Par Presión
Soluciones
Servomotor C.A. Cadena Tacogenerador Potenciómetro Dinamómetro Termopar PIC
Servomotor de
imanes permanentes
Banda
Sensor
Doppler
Resolvers
Sensor de fuerza y
par multieje
Piezo resistivo AVR
Motor a pasos Cable Girómetro Giroscopio
Galgas
extensiómetricas
Galgas
extensiómetricas
PC
Frenos mecánicos Engranes
Encoder
Absoluto
Encoder
Absoluto
PLC
Cilindro Hidráulico
Encoder
Incremental
Encoder
Incremental
A.H. Angular
A. N. Lineal
A.N. Angular
Servomotor C.D.
Referencias
[1] Lederman, S.J., Klatzky, R.L., Rennert-May, E., Lee, J.H., Ng,
K., & Hamilton, C. Haptic processing of facial expressions of
emotion in 2D raised-line drawings. IEEE Transactions on Haptics,
2008.
[2] Emmanuel Nuño Ortega, Luis Basáñez Villaluenga
Teleoperación: técnicas, aplicaciones, entorno sensorial y
teleoperación inteligente, Universitat Politécnica de Cartalunya,
IOC-DT-P-2004-05, Abril 2004
[3] Bejcsy, Antal K. Towards Development of Robotic Aid for
Rehabilitation of Locomotion-impaired Subjects. California
Institute of Technology Pusudena, California, 91 I09 1993.
[4] NASA. Telerobotics plan program. 1997.
[5] Barrientos, A., et al., 2007. Fundamentos de Robótica 2ª
Edición. Ed. McGraw Hill. ISBN: 978-84-481-5636-7
[6] Braun, E. El Saber y los Sentidos 2ª Edición. Ed. Fondo de
Cultura Económica.1997. ISBN: 968-16-5259-2
[7] Kutchenbecker, Katherine, et. al. Haptic Display of Contact
Location. Proceedings of the 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-De-La-Torre 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, pp. 24-30
(2006).
Información Académica
Alvarado Juarez Diego Armando.- Alumno de la carrera
Ingeniería en Robótica Industrial, Escuela Superior de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco, Instituto
Politécnico Nacional, Pasante de Técnico en Sistemas Digitales del
CECyT 1, “Gonzalo Vázquez Vela”.
e-mail: daajuarez@yahoo.com.
Butrón Castañeda Marco Antonio.- Alumno de la carrera
Ingeniería en Robótica Industrial, Escuela Superior de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco, Instituto
Politécnico Nacional, Pasante de Técnico en Procesos Industriales
del CECyT 11 “Wilfrido Massieu”.
e-mail: ocram3124@hotmail.com.
Díaz Loyo Diego.- Alumno de la carrera Ingeniería en Robótica
Industrial, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica,
Unidad Profesional Azcapotzalco, Instituto Politécnico Nacional.
e-mail: didilo_r@hotmail.com.
González García Luis César.- Alumno de la carrera Ingeniería
en Robótica Industrial, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica
y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco, Instituto
Politécnico Nacional.
e-mail: lcggarcia@hotmail.com.

PAGINA 13
DE 13
Ing. Israel Vázquez Cianca.- Ingeniero en Robótica Industrial por
la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Profesor
de la Academia de Eléctrica y Electrónica de la ESIME Unidad
Profesional Azcapotzalco. Doctorando en la Universidad
Politécnica de Cataluña, España en el doctorado de
"Automatización Avanzada y Robótica". Ha participado en varios
congresos internacionales en las áreas de Robótica, control y
visión.
e-mail isvaci@hotmail.com.
M. en C. Sergio Viveros Bretón.- Profesor de la Academia de
Proyecto de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. Sus principales áreas
de interés son el diseño, modelado, simulación y mecánica de
materiales.
e-mail: svbing2000@yahoo.com.mx.

Teleoperación Háptica de Brazo Manipulador

Más contenido relacionado

Similar a Teleoperación Háptica de Brazo Manipulador (20)

Último (20)

Teleoperación Háptica de Brazo Manipulador