Diseño e Implementación de un Sistema de Telemanipulación para la operación remota del manipulador robótico del Laboratorio de Automatización de la Universidad Autónoma de Bucaramanga, por medio de una sistema de estimación de la posición de la muñeca y un sistema háptico para manipulación de objetos
Actualmente in la Universidad Autonoma de Bucaramanga UNAB se han desarrollado pocos proyectos de investigacion que busquen ayudar a los estudiantes a desarrollar sus actividades de forma remota. Los estudiantes tampoco cuentan con infraestructura sobre la cual puedan realizar investigaciones sobre...
- Autores:
-
Carvajal Solano, Diego Andres
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2022
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
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- OAI Identifier:
- oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/19198
- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/19198
- Palabra clave:
- Mechatronic
Robotics
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ROS
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Design and Implementation of a Telemanipulation System for the remote operation of the robotic manipulator of the Automation Laboratory of the Autonomous University of Bucaramanga, by means of a wrist position estimation system and a haptic system for object manipulation |
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Mechatronic Robotics Teleoperation ROS Robot Manipulator Haptics Automatic machinery Kinematics Machine theory Artificial intelligence Logical layout Mecatrónica Maquinaria automática Cinemática Teoría de las máquinas Inteligencia artificial Diseño lógico Robotica Teleoperación ROS Háptica Manipulador robótico |
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Actualmente in la Universidad Autonoma de Bucaramanga UNAB se han desarrollado pocos proyectos de investigacion que busquen ayudar a los estudiantes a desarrollar sus actividades de forma remota. Los estudiantes tampoco cuentan con infraestructura sobre la cual puedan realizar investigaciones sobre los sistemas de teleoperación, hapticos y de estimación de posición, este es el problema sobre el cuál se basa este proyecto. Teniendo en cuanta esto, se decidió desarrollar un sistema de teleoperación de bajo costo basado en una cámara RGB y que ofrece un plataforma la cuál los estudiantes pueden utilizar como base para futuros proyectos de investigación en nuevas estrategias de teleoperación, nuevas estrategias de control de interfaces hápticas y nuevas estrategias de estimación de posción que puedan mejorar el desempeño del sistema. El sistema de teleoperación hace uso de marcadores de referencia como los markadores ArUco, los cuales permiten realizar la estimación tanto de su posición como de su orientación por medio de las imágenes de una cámara RGB y el algoritmo diseñado por los creadores de los marcadores. El sistema háptico usa sensores de presión resistivos los cuales permiten medir la fuerza que ejerce la pinza sobre el objeto que está siendo manipulado y a su vez usa esta medición para controlar el motor DC en la herramienta háptica que realiza la retroalimentación de fuerza sobre el usuario. Esta herramienta háptica se diseñó con el fin de que pueda ser ajustable y de esta manera ser usada casi por cualquier persona. |
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R. C. Goertz, “Master-Slave Manipulator”, Argonne National Laboratory, Chicago, Illinois, inf. téc., 1949. dirección: https://www.osti.gov/servlets/purl/1054625. R. C. Goertz, D. Grove, J. H. Grimson, V. Park y F. A. Kohut, Manipulator for Slave Robot, 1961. dirección: https://patents.google.com/patent/US2978118A/en. J. Marescaux, J. Leroy, M. Gagner et al., “Transatlantic robot-assisted telesurgery”, Nature, vol. 413, n. o 6854, págs. 379-380, 2001, issn: 1476-4687. doi: 10 . 1038 / 35096636. dirección: https://doi.org/10.1038/35096636. J. A. Silva, Diseño y construcción de un exoesqueleto maestro de brazo para controlar un mani- pulador virtual tipo antropomórfico de 5 grados de libertad. dirección: http://hdl.handle.net/ 20.500.12749/1585. D. Triana, S. Prada y C. Forero, “Desarrollo y control de un brazo robótico mediante la adqui- sición de datos en tiempo real hacia un espacio no real”, n. o 1, págs. 112-117, 2015. F. Kobayashi, K. Kitabayashi, H. Nakamoto y F. 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Los estudiantes tampoco cuentan con infraestructura sobre la cual puedan realizar investigaciones sobre los sistemas de teleoperación, hapticos y de estimación de posición, este es el problema sobre el cuál se basa este proyecto. Teniendo en cuanta esto, se decidió desarrollar un sistema de teleoperación de bajo costo basado en una cámara RGB y que ofrece un plataforma la cuál los estudiantes pueden utilizar como base para futuros proyectos de investigación en nuevas estrategias de teleoperación, nuevas estrategias de control de interfaces hápticas y nuevas estrategias de estimación de posción que puedan mejorar el desempeño del sistema. El sistema de teleoperación hace uso de marcadores de referencia como los markadores ArUco, los cuales permiten realizar la estimación tanto de su posición como de su orientación por medio de las imágenes de una cámara RGB y el algoritmo diseñado por los creadores de los marcadores. El sistema háptico usa sensores de presión resistivos los cuales permiten medir la fuerza que ejerce la pinza sobre el objeto que está siendo manipulado y a su vez usa esta medición para controlar el motor DC en la herramienta háptica que realiza la retroalimentación de fuerza sobre el usuario. Esta herramienta háptica se diseñó con el fin de que pueda ser ajustable y de esta manera ser usada casi por cualquier persona.Abreviaturas ..................................................................................................15 Simbología .....................................................................................................16 1.. Introducción .............................................................................................17 2.. Antecedentes ............................................................................................18 3.. Marco Teórico ...........................................................................................21 3.1. Telerobótica ............................................................................................21 3.1.1. Arquitectura .........................................................................................21 3.1.1.1. Control Directo .................................................................................22 3.2. Háptica .....................................................................................................23 3.3. Cinemática ...............................................................................................24 3.3.1. Cinemática directa ...............................................................................24 3.3.1.1. Notación de Denavit-Hartenberg ...................................................24 3.3.1.2. Transformación entre sistemas de coordenadas ........................25 3.3.2. Cinemática inversa de posición .........................................................25 3.4. Captura de Movimiento .........................................................................26 3.4.1. Marcadores de referencia ..................................................................26 3.4.1.1. Marcadores ArUco ............................................................................27 3.5. Sensores ...................................................................................................28 3.5.1. Encoders rotativos ...............................................................................28 3.5.2. Sensores de fuerza ..............................................................................29 3.5.2.1. Sensores resistivos ...........................................................................29 3.6. Actuadores ...............................................................................................29 3.6.1. Actuadores eléctricos ..........................................................................29 3.6.1.1. Motor DC ............................................................................................30 63.7. Microcontroladores ...............................................................................30 3.7.1. Arduino ...................................................................................................30 3.7.1.1. Arduino UNO ......................................................................................30 3.8. Proceso de Fabricación ............................................................................31 3.8.1. Impresión 3D ..........................................................................................31 3.9. Software .....................................................................................................32 3.9.1. Blender ....................................................................................................32 3.9.2. SolidWorks ..............................................................................................32 3.9.3. Arduino IDE .............................................................................................32 3.9.4. Robot Operating System (ROS) ............................................................32 3.9.4.1. Comunicación en ROS ........................................................................33 3.9.4.2. Nodos ....................................................................................................33 3.9.4.3. Paquetes en ROS .................................................................................33 3.9.4.4. MoveIt ...................................................................................................34 4.. Objetivos ......................................................................................................37 4.1. Objetivo General ........................................................................................37 4.2. Objetivos Específicos .................................................................................37 5.. Metodología ..................................................................................................38 6.. Desarrollo ......................................................................................................40 6.1. Requerimientos y funcionalidades ..........................................................40 6.1.1. Diagrama de análisis de la necesidad ..................................................40 6.1.2. Análisis funcional ....................................................................................40 6.2. Descripción del sistema ............................................................................41 6.3. Diseño mecánico y eléctrico .....................................................................42 6.3.1. Herramienta háptica ..............................................................................42 6.3.1.1. Diseño mecánico ..................................................................................42 6.3.1.2. Diseño eléctrico ....................................................................................47 76.3.2. Extremos de la pinza Robotiq 2F-85 ...................................................47 6.3.2.1. Selección de los sensores ...................................................................47 6.3.2.2. Diseño mecánico de los extremos de la pinza .................................48 6.3.2.3. Diseño electrónico para la medición de fuerza ................................49 6.4. Construcción del sistema ...........................................................................50 6.4.1. Herramienta háptica ................................................................................50 6.4.2. Extremos de la pinza ................................................................................53 6.5. Programación del sistema ..........................................................................55 6.5.1. Explicación del código ..............................................................................56 6.5.1.1. Herramienta Háptica .............................................................................56 6.5.1.2. Captura de movimiento ........................................................................60 6.5.1.3. Robot UR3 ...............................................................................................62 6.5.1.4. Pinza Robotiq 2F-85 ...............................................................................64 6.6. Integración del sistema ...............................................................................66 6.6.1. Comunicación maestro-esclavo ..............................................................66 6.6.2. Integración de la captura de movimiento y el control del robot UR3 ...................................................................................................67 7.. Resultados .......................................................................................................70 7.1. Resultados esperados ..................................................................................70 7.2. Planos de diseño ...........................................................................................70 7.2.1. Planos de la herramienta háptica ............................................................70 7.2.2. Planos de la caja de electrónicos de la herramienta háptica ...............70 7.2.3. Planos de la caja de electrónicos del sensor de fuerza .........................70 7.3. Código del programa .....................................................................................70 7.4. Simulación .......................................................................................................71 7.5. Prototipo ..........................................................................................................71 7.5.1. Validación del prototipo .............................................................................72 7.6. Artículo científico ............................................................................................74 8.. Discusión de resultados ...................................................................................75 89.. Conclusiones ....................................................................................................76 Anexos ......................................................................................................................79 Anexo A ....................................................................................................................79 Anexo B ....................................................................................................................80 Anexo C ....................................................................................................................81 Anexo D ....................................................................................................................82 Anexo E .....................................................................................................................83 Anexo F .....................................................................................................................84 Anexo G ....................................................................................................................85 Anexo H ....................................................................................................................91 Anexo I .....................................................................................................................93PregradoCurrently, in the Autonomous University of Bucaramanga UNAB, there have been a few research projects that aim to help students carry out their activities remotely. The students also need the infrastructure for the research on teleoperation, haptic feedback, and pose estimation systems. This is the research problem on which this article is based. Based on this, it was decided to develop an RGB camera-based teleoperation system that is low-cost and offers a platform the students can use as a base for the future development of new teleoperation strategies, new control strategies for haptic feedback systems, and new pose estimation strategies that could improve the performance of the system. The teleoperation system makes use of reference markers like the ArUco markers that allow the estimation of its pose by just using an RGB camera and the algorithm developed by the creators of the markers. The haptic system uses resistive pressure sensors to measure the force exerted by the gripper on the manipulated object, and using that measurement it controls a DC motor on the haptic tool that gives the force feedback to the user. This haptic tool was also designed to be adaptable and allow almost anyone to use it.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Diseño e Implementación de un Sistema de Telemanipulación para la operación remota del manipulador robótico del Laboratorio de Automatización de la Universidad Autónoma de Bucaramanga, por medio de una sistema de estimación de la posición de la muñeca y un sistema háptico para manipulación de objetosDesign and Implementation of a Telemanipulation System for the remote operation of the robotic manipulator of the Automation Laboratory of the Autonomous University of Bucaramanga, by means of a wrist position estimation system and a haptic system for object manipulationIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicRoboticsTeleoperationROSRobot ManipulatorHapticsAutomatic machineryKinematicsMachine theoryArtificial intelligenceLogical layoutMecatrónicaMaquinaria automáticaCinemáticaTeoría de las máquinasInteligencia artificialDiseño lógicoRoboticaTeleoperaciónROSHápticaManipulador robóticoR. C. Goertz, “Master-Slave Manipulator”, Argonne National Laboratory, Chicago, Illinois, inf. téc., 1949. dirección: https://www.osti.gov/servlets/purl/1054625.R. C. Goertz, D. Grove, J. H. Grimson, V. Park y F. A. Kohut, Manipulator for Slave Robot, 1961. dirección: https://patents.google.com/patent/US2978118A/en.J. Marescaux, J. Leroy, M. Gagner et al., “Transatlantic robot-assisted telesurgery”, Nature, vol. 413, n. o 6854, págs. 379-380, 2001, issn: 1476-4687. doi: 10 . 1038 / 35096636. dirección: https://doi.org/10.1038/35096636.J. A. Silva, Diseño y construcción de un exoesqueleto maestro de brazo para controlar un mani- pulador virtual tipo antropomórfico de 5 grados de libertad. dirección: http://hdl.handle.net/ 20.500.12749/1585.D. Triana, S. Prada y C. Forero, “Desarrollo y control de un brazo robótico mediante la adqui- sición de datos en tiempo real hacia un espacio no real”, n. o 1, págs. 112-117, 2015.F. Kobayashi, K. Kitabayashi, H. Nakamoto y F. 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