Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de medição baseado em visão computacional, que consiga se comunicar com um manipulador robótico e, por meio das medidas realizadas, possa orientar o robô manipulador de forma a posicionar um objeto de geometria qualquer em uma posição alvo. Para tanto foram utilizadas câmeras industriais e dois tipos de análise no mesmo sistema. A primeira se baseia em uma análise metrológica individual de cada câmera, tendo por base sua calibração e análise de alvos conhecidos, fixos aos objetos que se deseja posicionar, assim como a identificação de algumas características do objeto. A segunda análise se baseia no trabalho em conjunto de, pelo menos, duas câmeras, que geram uma análise, em visão estéreo, do ambiente de trabalha do manipulador robótico. Para verificação e testes dos procedimentos propostos foi utilizado um robô manipulador industrial antropomorfo de seis graus de liberdade, sistemas de metrologia externos, tais como Laser Radar e iGPS e chapas retas e curvas. Os resultados obtidos foram analisados e considerados como adequados para atender os requisitos de uma montagem de equipamentos de grande porte. Os resultados obtidos pela implementação aqui proposta mostram que um sistema de visão pode ter precisão e exatidão inferior a 1 mm para volumes entre 125 e 300 m. E que é possível usar a informação desse tipo de sistema para orientar e movimentar um manipulador robótico antropomórfico por meio de protocolos de uso industrial.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um procedimento de calibração para manipuladores industriais em ambiente virtual com o intuito de determinar os melhores valores de correção da cinemática direta para manipuladores industriais de até seis graus de liberdade. Para validação desta metodologia desenvolvida neste trabalho, o manipulador KUKA KR210 L100 2K foi escolhido como robô de estudo tanto para o sistema de simulação off-line quanto para a programação off-line. Para a determinação do valores de correção foi desenvolvido um algoritmo de calibração no ambiente Matlab que efetuar seis iterações contendo cada uma, um conjunto de doze valores de correção que estão divididos entre os ângulos "alpha" e "theta" dos parâmetros de Denavit-Hartenberg. Os dados de entrada para o algoritmo de calibração foram obtidos via Labview pelo controlador do KUKA KR210. Esses dados variam de acordo com a norma ISO 9283, que especifica que para aquisição de dados na calibração, é necessário variar a velocidade do robô em 10%, 50% e 100%, e onde cada trajeto de teste deve possuir trinta ciclos e um caminho contendo cinco pontos. Por último, para definir quais iterações são ideais para calibração, foi utilizado o método estatístico LSD de Fisher que tem a capacidade de mostrar quais variáveis cartesianas foram calibradas em relação a médias das posições nominais. Os resultados de calibração foram analisados pelo Diagrama de Pareto e pela Lei de Pareto 80/20 que identificaram as iterações mais adequadas que melhor expressam a equivalência mecânica e cinemática entre o robô real e o CAD do robô em ambiente off-line.

Este trabalho apresenta os resultados da aplicação de três técnicas de controle utilizadas no projeto e implementação do controle de um manipulador subatuado planar de três juntas em série e de elos rígidos, projetado e construído pela Universidade Carnegie Mellon, EUA. Devido ao alto grau de não-linearidade deste sistema, seria muito difícil implementar um controlador H2, H&#8734 ou H2/H&#8734 que atuasse sozinho. Assim, propõe-se a utilização de um método de controle combinado: torque computado/H2, H&#8734 ou H2/H&#8734. No controle combinado, a porção correspondente ao torque computado lineariza e pré-compensa a dinâmica do modelo da planta nominal, enquanto a porção correspondente ao controle H2, H&#8734 ou H2/H&#8734 realiza uma pós-compensação dos erros residuais, que não foram completamente eliminados pelo método torque computado. Testes de acompanhamento de trajetória e testes de robustez são realizados aqui para comprovar a eficiência destes controladores, com resultados de implementação bastante satisfatórios. / This work presents the application results of three control techniques used for the control design and implementation of a serial planar underactuated manipulator with three joints and rigid links, designed and built by the Carnegie Mellon University, USA. Due to the high non-linearity degree of this system, it would be very difficult to implement an H2, H&#8734 or H2/ H&#8734 control which would actuate on the system by itself. Therefore, it is proposed a combined control method: computed torque/ H2, H&#8734 or H2/H&#8734. In the combined control, the portion corresponding to the computed torque linearizes and pre-compensates the dynamics of the nominal model, while the portion corresponding to the H2, H&#8734 or H2/H&#8734 control realizes a pos-compensation of the residual errors, not completely removed by the computed torque method. Trajetory tracking and robustness tests are performed here to demonstrate the efficiency of these controllers, with very satisfatory implementation results.

En la medicina de rehabilitación, los mecanismos paralelos del tipo plataforma de Stewart-Gough están siendo usados para la rehabilitación de tobillo de pacientes con discapacidad. El movimiento de la plataforma debe simular o seguir, de manera precisa, a los movimientos de un tobillo al querer caminar o ponerse de pie. Por lo tanto, como parte de un proyecto que tiene como finalidad recrear la trayectoria recorrida por el conjunto tobillo-pie durante la marcha, este trabajo de tesis se enfoca en el diseño e implementación del sistema de control de la cinemática de una plataforma Stewart-Gough. Para lograr posicionar de manera exacta y precisa la plataforma en una posición y orientación dada, primero, fue necesario hallar un modelo aproximando de los actuadores de la plataforma. Con los modelos hallados se simuló el comportamiento de los actuadores, y al comparar los resultados de estas simulaciones con los datos reales se obtuvieron errores menores al 1%. El control diseñado para cada actuador se basa en una topología de lazo con retroalimentación negativa, cuyo algoritmo de control es un PID (proporcional – integral - derivativo). Sin embargo, dado que los modelos obtenidos no eran lineales, no era posible usar técnicas de sintonización para algoritmos PID convencionales. Por lo cual fue necesario derivar una ecuación que relaciona los parámetros del algoritmo con el tiempo de establecimiento deseado y el modelo de los actuadores. Finalmente, con el sistema de control implementado el microprocesador XS1-L1, de procesamiento multi-hilo, se logró obtener errores dentro del rango de movimiento de un tobillo (3% en una marcha normal, y tiempos de establecimiento para cada actuador con error ± 0.5 segundos con respecto al tiempo deseado. / Tesis

En el presente documento de tesis se desarrolla un sistema de control para la manipulación y planificación de trayectorias de un robot de cinco grados de libertad. Este robot que ha sido fabricado por la Maestría de Ingeniería Mecatrónica de la Pontificia Universidad Católica del Perú, forma parte de un proyecto multidisciplinario que busca desarrollar un sistema robótico capaz de ser utilizado para pruebas dinámicas y cinemáticas en este área. En el mencionado proyecto se realizó el diseño mecánico correspondiente al brazo robótico, que incluyó el dimensionamiento y posterior fabricación de cada uno de los eslabones. En la parte electrónica, se dimensionó y adquirió motores con encoders que permitirían obtener señales de posición y dar movimiento a los eslabones. Con toda la información adquirida a través de los dimensionamientos y ensayos mecánico-eléctricos, se logró generar modelos matemáticos de función de transferencia de motores para el diseño del control discreto. Usando estas funciones de transferencia, se implementó un sistema de control distribuido basado en la implementación de un algoritmo PD que permite el control angular de los motores con 5 microcontroladores comunicados en protocolo I2C.Las referencias para cada control de lazo cerrado, son generadas desde una interfaz que tiene internamente un generador de referencias y enviadas por protocolo serial al microcontrolador maestro. Este generador tiene un funcionamiento basado en modelos cinemáticos que toma como principio los algoritmos de cinemática directa e inversa para la generación de trayectorias. Finalmente, el sistema es comandado por un usuario que podrá definir el punto final de la trayectoria del brazo en coordenadas X, Y, Z. Además, el usuario podrá realizar control individual de cada uno de los eslabones y observar los valores de posición X, Y, Z en tiempo real mediante gráficas y valores. / Tesis

El presente trabajo de investigación presenta el diseño mecánico de un simulador de marcha normal, conformado por un par de mecanismos paralelos de 6 grados de libertad, que trabajan en forma dual. Cada mecanismo está basado en la configuración de una plataforma Stewart-Gough. El diseño incluye todos sus componentes mecánicos, no se incluye en el presente trabajo ni el sistema hidráulico ni el sistema de control. Para el diseño del mecanismo paralelo se utilizó la metodología de tres etapas utilizada por B. Zhang, [Zhang, 2005] y recomendaciones de J. Merlet, [Merlet, 1999]. En una etapa inicial se contempló la investigación de los parámetros de la marcha normal de una persona entre 18 y 45 años, posiciones, velocidades, alcance, movimientos y patologías. Luego se procedió con el desarrollo de la geometría óptima para las dimensiones de las plataformas, para ello se analizó la cinemática inversa del mecanismo y el espacio de trabajo del mismo, siguiendo un proceso iterativo (MATLAB). A continuación se validó los resultados de la geometría óptima con la selección de componentes y diseño mecánico, cálculos de resistencia y análisis en CAD (SOLIDWORK, AUTOCAD). Por último, se elaboraron los planos de fabricación, ensamble y despiece, así mismo se evaluaron los costos directos e indirectos del desarrollo, fabricación e implementación del sistema mecánico. El resultado del presente trabajo es el diseño mecánico de dos plataformas con 6 GDL, cuya plataforma móvil puede tener un alcance máximo de ± 400 mm en los ejes X e Y, con una orientación máxima de ± 30°, y máxima carga en cualquier posición y orientación de 700 N perpendicular a la plataforma. Es necesario señalar que tanto el alcance y orientación están vinculados, por lo que los valores antes mencionados de alcance y orientación dependen de la posición y rotación de la plataforma en los demás ejes. El costo estimado que incluye costos directos e indirectos de ambas plataformas es de S/. 99,796.00, que incluye costos de diseño, fabricación y ensamble. / Tesis

En este proyecto se realizó el diseño mecánico de una cabina para el desarrollo de un simulador de vuelo. El simulador de vuelo consiste en un sistema que emule los movimientos de una aeronave y el manejo de ésta por parte de un piloto. Para ello, se planteó desarrollar un mecanismo paralelo de 6 GDL para emular los movimientos de la aeronave y diseñar una cabina en el que se encuentre el piloto y desde el cual éste pueda interactuar con el simulador. El diseño de la cabina se llevó a cabo siguiendo la metodología que se da en la norma VDI 2225, para lo cual se plantearon diferentes alternativas que permitieron seleccionar los componentes que debe de haber en la cabina para el entrenamiento del piloto. De acuerdo con los componentes seleccionados se realizó el diseño de los soportes necesarios, los cuales consistieron en un soporte para los monitores del sistema visual y un panel de instrumentos. Los cálculos de resistencia de la cabina se realizaron analíticamente usando modelos matemáticos simplificados y con la ayuda de un software de elementos finitos. Se realizaron los cálculos de esfuerzos de la cabina desde un sistema de referencia no inercial debido al movimiento acelerado de la cabina, en el que fue necesario agregar las fuerzas y momentos inerciales. El cálculo por elementos finitos se realizó usando el software ANSYS. De esta manera se determinó que los esfuerzos en la cabina debido a las aceleraciones máximas dadas por el mecanismo paralelo son menores a los admisibles, por lo que no fallará para estas condiciones de trabajo. Se decidió usar plástico reforzado en fibra de vidrio como material de la cabina. Este es un material compuesto cuyas propiedades mecánicas se determinaron usando la norma británica BS 4994. Por otra parte, los soportes serán hechos de acero estructural ASTM A36. Finalmente se realizó una estimación de costos de la cabina en el que el costo total resultó S/.12,727. / Tesis

En el presente trabajo se diseñó un prototipo de brazo robótica háptico teleoperado de 4 grados de libertad para la exploración marina hasta una profundidad máxima de 500m. Se diseñó el brazo robótica esclavo en un software de diseño, se analizó la estática y dinámica de dicho robot y se realizaron análisis de esfuerzos en los principales componentes. El robot tendrá un alcance máximo de 900mm y contará con sensores de posicionamiento y fuerza para el control de posición y fuerza. Además el brazo robótico contará con una cámara cerca al efector final con el motivo de tener una mejor visión para el operador. El trabajo incluye también el diseño del manipulador maestro que será controlado por el operador y que incluirá una realimentación de fuerza (force feedback). Se escogieron los motores y controladores indicados para el correcto funcionamiento del robot así como el tipo de comunicación que tendrá el robot con el computador. En el primer capítulo se presentará la problemática actual de los manipuladores robóticos submarinos, los cuales en su mayoría son hidráulicos y el costo de operación de dichos robots son altos. En el segundo capítulo se mencionarán los requerimientos físicos-mecánicos, requerimientos electrónicos y requerimientos de control del robot. Además se presentará el concepto de solución del sistema mecatrónico que será una alternativa de solución a la problemática presentada. En el tercer capítulo presentará el sistema mecatrónico completo. Se explicará el diagrama de funcionamiento del sistema mecatrónico, los sensores y actuadores presentes en el trabajo, planos de ensamble de los manipuladores, diagramas de circuitos y el diagrama de control del sistema mecatrónico. En el cuarto capítulo se presentará el presupuesto total del proyecto, el cual incluirá el presupuesto de los componentes mecánicos y electrónicos. Por último en el quinto capítulo se presentarán las conclusiones obtenidas del proyecto. / Tesis

El desarrollo de prótesis de mano ha ido mejorando en los años recientes. Además de las prótesis mecánicas - funcionales , ahora se desarrollan prótesis de tipo mioeléctricas y biónicas. Sin embargo, los usuarios de prótesis aún presentan dificultades en controlar de manera óptima su prótesis. Ello se debe a que las prótesis mioeléctricas actuales poseen sistemas de control embebido donde las etapas de sensado y actuación ocurren ajenas a la participación del usuario, siendo propias de la prótesis. De manera que el usuario no opera su prótesis con la destreza que debiera pues no existe un sistema de retroalimentación háptico que le permita notar la cantidad de fuerza que se encuentra aplicando, o detectar si el objeto que está sujetando se esta deslizando. En este contexto, la presente tesis desarrolla el diseño de un sistema de retroalimentación háptico para una prótesis mioeléctrica transradial de miembro superior que permita al usuario obtener la sensación de fuerza y deslizamiento para así controlar con mayor destreza su prótesis de mano. En el presente documento se describe el sistema mecatrónico diseñado. El sistema cuenta con tres unidades mecanotáctiles para la transmisión de sensación de fuerza, y una unidad vibrotáctil para transmitir la sensación de deslizamiento. El dispositivo completo es diseñado para ir colocado en el antebrazo del usuario de prótesis de mano. Con el fin de validar el diseño de la estructura, se realiza una simulación por elementos finitos y se prueba el funcionamiento del sensor de fuerza, así como de la unidad vibrotáctil sobre personas. Con los resultados satisfactorios obtenidos, se puede concluir que se consigue un diseño de sistema de retroalimentación háptico para prótesis mioeléctrica transradial capaz de transmitir al usuario las sensaciones de fuerza y deslizamiento con un Costo de diseño de S/ 10 800; y un Costo de fabricación de S/ 2281,70. / Tesis

La presente tesis tiene por objetivo la elaboración de un algoritmo para el análisis cinemático inverso de mecanismos en el espacio, el cual abarcar mecanismos clásicos y mecanismos empleados en la actualidad, tales como brazos robóticos. Con el fin de realizar el análisis cinemático de diversos mecanismos usando el mismo algoritmo, se plantea el uso de un método iterativo para la evaluación de las ecuaciones de movimiento. En este proceso se usan los parámetros de Euler como sistema de coordenadas generalizadas, así como la pseudo-inversión para la resolución de la inversión del jacobiano y el método de Newton-Raphson como método de minimización. Además, se presenta una librería de juntas para el modelamiento de diferentes tipos de juntas entre eslabones, permitiendo el estudio de diversos mecanismos. El algoritmo se implementa en el programa de Matlab, emplea archivos tipo texto para el ingreso de información y ofrece una interfaz tipo GUI para la obtención de diversas gráficas requeridas por el usuario. Durante la elaboración del algoritmo se presentaron dificultades en la eliminación de restricciones redundantes y evasión de singularidades del mecanismo, en específico en mecanismos contenidos en un plano. Esta dificultad fue superada empleando modelos depurados por parte del usuario. Para la validación del algoritmo se desarrollaron dos ejemplos de aplicación, un mecanismo clásico Biela-Manivela-Corredera y un brazo robótico tipo esférico. Los resultados obtenidos en estos ejemplos usando el algoritmo implementado y los obtenidos por otros autores son similares, apreciándose una adecuada correspondencia en los valores de posición, velocidad y aceleración. El algoritmo elaborado e implementado presenta subrutinas específicas y una librería de juntas que pueden ser empleados en un programa para el análisis cinemático y dinámico de mecanismos espaciales a ser desarrollado en un futuro. / Tesis