desarrollo de tecnologías de telemanipulación con alto grado de escalado orientadas a la

290 Pages·2016·5.46 MB·Spanish

by  Jose Brenosa

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR D E INGENIEROS INDUSTRIALES

DESARROLLO DE TECNOLOGÍAS DE
TELEMANIPULACIÓN CON ALTO
GRADO DE ESCALADO ORIENTADAS A
LA INTERACCIÓN HOMBRE-ROBOT EN
ENTORNOS NUCLEARES

TESIS DOCTORAL

Jose Manuel Breñosa Martínez
Ingeniero Industrial - Esp. Automática y Electrónica Industrial
Máster en Automática y Robótica

2016

DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA,
INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA E
INFORMÁTICA INDUSTRIAL

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

DESARROLLO DE TECNOLOGÍAS DE
TELEMANIPULACIÓN CON ALTO
GRADO DE ESCALADO ORIENTADAS A
LA INTERACCIÓN HOMBRE-ROBOT EN
ENTORNOS NUCLEARES

TESIS DOCTORAL

Autor: Jose Manuel Breñosa Martínez

Ingeniero Industrial
Máster en Automática y Robótica

Director: Manuel Ferre Pérez
Doctor Ingeniero Industrial

2016

I
II
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales

DESARROLLO DE TECNOLOGÍAS DE
TELEMANIPULACIÓN CON ALTO
GRADO DE ESCALADO ORIENTADAS A
LA INTERACCIÓN HOMBRE-ROBOT EN
ENTORNOS NUCLEARES

Autor: Jose Manuel Breñosa Martínez

Tribunal:
Presidente: Dr. Rafael Aracil Santonja
Secretario Dr. Miguel Hernando Gutiérrez
Vocal A : Dr. Antonio Giménez Fernández
Vocal B : Dr. José María Azorín Poveda
Vocal C : Dr. Raúl Marín Prades
Suplente A : Dra. Concepción Alicia Monje Micharet
Suplente B : Dr. Juan Antonio Escalera Piña

Acuerdan otorgar la calificación de:

Madrid, a 3 de Febrero de 2016
III

Agradecimientos
Durante el desarrollo de mi tesis, que ha ocupado una parte importante de
los últimos años, he tenido la oportunidad de conocer y redescubrir a
personas sorprendentes: sus consejos, contribuciones y su apoyo me han
facilitado el desarrollo de mi personalidad a la par que lo hacía en mi labor
investigadora. Estos breves párrafos son para todos ellos.
En primer lugar, me gustaría agradecer a mi director de tesis Manuel Ferre
toda la orientación recibida durante todos estos años. Tu motivación y
enseñanzas me han servido para crecer como ingeniero e investigador, por
toda la formación recibida, por tus proposiciones, por tu energía inagotable,
por tu orientación y consejos para encontrar mi camino. Gracias.
Me gustaría agradecer a todos los miembros y profesores pertenecientes al
Departamento de Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e
Informática Industrial con los que he tenido oportunidad de colaborar, por la
gran ayuda y apoyo recibido; así como a todo el personal del Centro de
Automática y Robótica, por su dedicación.
Por supuesto, debo agradecer en particular a todos los colegas que han
pasado por el Laboratorio de Telerrobótica del grupo de Robots y Máquinas
Inteligentes: Jordi Barrio, Raúl Wirz, Pablo García, Patricia García, Víctor
Eslava, Eva María Fernández, José Vaca, Marta Bielza, Marta Ayestarán,
Pablo Cerrada, Nuria Moratalaya, Sandra Campo, Ignacio Galiana, José
María Cogollor, Alex Owen-Hill, Prithvi Pagala, Ramviyas Parasunam,
Javier Rojo, Elena García, Francisco Suárez, Santiago Martínez, Arturo
Colina, Carlos Gutiérrez, Luis Rubio, José Luis Samper, Sofía Coloma,
Joaquín Macanás, Gonzalo García, Juan Carlos Ramos (y al resto de los 47
ROMIN que no haya nombrado).
Asimismo, quiero agradecer a aquellos que me quieren y que me miran con
cierta incredulidad cada vez que me embarco en una nueva aventura, porque
saben que en mi caso querer es poder. Siempre he notado su apoyo
incondicional: a mis padres, Marga y José Manuel, y mi hermana María, y en
V
definitiva al resto de la familia que me ha visto crecer, contribuyendo a que
hoy en día sea tal y como soy.
Finalmente, quisiera concluir recordando a las personas más importantes en
mi vida: agradecer a mi mujer, Cristina, por complementarme y aportarme la
felicidad en todos y cada uno de los momentos inolvidables a lo largo de
todos estos años, especialmente cuando las fuerzas en ocasiones flaqueaban; y
cómo no nombrar a mis chiquitines, cuyas sonrisas y abrazos hacen que me
esfuerce cada día más para darles todo lo que se merecen y más, para
aprovechar al máximo los buenos y mejores momentos de mi vida y toda la
felicidad que me aportan a cada instante.
Cris, Nico, Daniel y Alicia, podría faltarme cualquier necesidad excepto
vosotros.
If you can imagine, it is possible…

VI
Resumen
Esta tesis se centra en desarrollo de tecnologías para la interacción hombre-robot en
entornos nucleares de fusión. La problemática principal del sector de fusión nuclear
radica en las condiciones ambientales tan extremas que hay en el interior del reactor, y
la necesidad de que los equipos cumplan requisitos muy restrictivos para poder
aguantar esos niveles de radiación, magnetismo, ultravacío, temperatura... Como no es
viable la ejecución de tareas directamente por parte de humanos, habrá que utilizar
dispositivos de manipulación remota para llevar a cabo los procesos de operación y
mantenimiento.
En las instalaciones de ITER es obligatorio tener un entorno controlado de extrema
seguridad, que necesita de estándares validados. La definición y uso de protocolos es
indispensable para regir su buen funcionamiento. Si nos centramos en la
telemanipulación con algo grado de escalado, surge la necesidad de definir protocolos
para sistemas abiertos que permitan la interacción entre equipos y dispositivos de
diversa índole. En este contexto se plantea la definición del Protocolo de Teleoperación
que permita la interconexión entre dispositivos maestros y esclavos de distinta
tipología, pudiéndose comunicar bilateralmente entre sí y utilizar distintos algoritmos
de control según la tarea a desempeñar.
Este protocolo y su interconectividad se han puesto a prueba en la Plataforma Abierta
de Teleoperación (P.A.T.) que se ha desarrollado e integrado en la ETSII UPM como una
herramienta que permita probar, validar y realizar experimentos de telerrobótica.
Actualmente, este Protocolo de Teleoperación se ha propuesto a través de AENOR al
grupo ISO de Telerobotics como una solución válida al problema existente y se
encuentra bajo revisión.
Con el diseño de dicho protocolo se ha conseguido enlazar maestro y esclavo, sin
embargo con los niveles de radiación tan altos que hay en ITER la electrónica del
controlador no puede entrar dentro del tokamak. Por ello se propone que a través de
una mínima electrónica convenientemente protegida se puedan multiplexar las señales
de control que van a través del cableado umbilical desde el controlador hasta la base
del robot. En este ejercicio teórico se demuestra la utilidad y viabilidad de utilizar este
tipo de solución para reducir el volumen y peso del cableado umbilical en cifras
VII
aproximadas de un 90%, para ello hay que desarrollar una electrónica específica y con
certificación RadHard para soportar los enormes niveles de radiación de ITER.
Para este manipulador de tipo genérico y con ayuda de la Plataforma Abierta de
Teleoperación, se ha desarrollado un algoritmo que mediante un sensor de fuerza/par y
una IMU colocados en la muñeca del robot, y convenientemente protegidos ante la
radiación, permiten calcular las fuerzas e inercias que produce la carga, esto es
necesario para poder transmitirle al operador unas fuerzas escaladas, y que pueda
sentir la carga que manipula, y no otras fuerzas que puedan influir en el esclavo
remoto, como ocurre con otras técnicas de estimación de fuerzas. Como el blindaje de
los sensores no debe ser grande ni pesado, habrá que destinar este tipo de tecnología a
las tareas de mantenimiento de las paradas programadas de ITER, que es cuando los
niveles de radiación están en sus valores mínimos.
Por otro lado para que el operador sienta lo más fielmente posible la fuerza de carga se
ha desarrollado una electrónica que mediante el control en corriente de los motores
permita realizar un control en fuerza a partir de la caracterización de los motores del
maestro. Además para aumentar la percepción del operador se han realizado unos
experimentos que demuestran que al aplicar estímulos multimodales (visuales,
auditivos y hápticos) aumenta su inmersión y el rendimiento en la consecución de la
tarea puesto que influyen directamente en su capacidad de respuesta.
Finalmente, y en referencia a la realimentación visual del operador, en ITER se trabaja
con cámaras situadas en localizaciones estratégicas, si bien el humano cuando
manipula objetos hace uso de su visión binocular cambiando constantemente el punto
de vista adecuándose a las necesidades visuales de cada momento durante el desarrollo
de la tarea. Por ello, se ha realizado una reconstrucción tridimensional del espacio de la
tarea a partir de una cámara-sensor RGB-D, lo cual nos permite obtener un punto de
vista binocular virtual móvil a partir de una cámara situada en un punto fijo que se
puede proyectar en un dispositivo de visualización 3D para que el operador pueda
variar el punto de vista estereoscópico según sus preferencias.
La correcta integración de estas tecnologías para la interacción hombre-robot en la
P.A.T. ha permitido validar mediante pruebas y experimentos para verificar su utilidad
en la aplicación práctica de la telemanipulación con alto grado de escalado en entornos
nucleares de fusión.
VIII