Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro Universitário da Fei, São Bernardo do Campo, 2014

En esta Tesis se presenta una arquitectura innovadora para el control de tareas de manipulación de objetos deformables, usando sistemas robóticos compuestos por brazos articulados y manos humanoides. Esta arquitectura se basa principalmente en información sensorial obtenida desde sensores táctiles con los que se ha equipado a las manos robóticas. El principal objetivo del desarrollo de las técnicas que se describirán en esta memoria es obtener un sistema fiable, aplicable, y adaptable. Para que el sistema sea fiable, éste ha de ofrecer una respuesta correcta en ejecución continua durante su aplicación. La aplicabilidad del sistema se plantea también como un objetivo principal, ya que se desea que los algoritmos desarrollados puedan ser utilizados en usos reales de aplicación de manipulación robótica de objetos deformables. Por último, se plantea como objetivo principal del sistema la adaptabilidad, es decir, que el sistema desarrollado pueda aplicarse tanto con distintos tipos de elementos (robots, manos robóticas y sensores táctiles), como con distintos tipos de objetos deformables. La manipulación de objetos deformables es aún un reto abierto en el campo de la manipulación robótica. En la manipulación robótica de objetos rígidos, el modelado y cálculo de fuerzas y velocidades de interacción entre objeto y elemento prensor normalmente resultan viables. Sin embargo, cuando se trata de objetos deformables con múltiples grados de deformación, la complejidad de los modelados y cálculos aumenta considerablemente. Muchos han sido los trabajos presentados en los que se estudia el control de la manipulación de objetos deformables usando técnicas de control basadas en el modelado de los objetos y el cálculo de las fuerzas de interacción. Dichos trabajos usan versiones adaptadas de las leyes dinámicas que rigen la interacción entre dos objetos rígidos, incluyendo conceptos como el rango limitado de fuerzas aplicadas. Estas técnicas son muy precisas cuando se utilizan en entornos estructurados, pero no resultan viables cuando se intentan aplicar en entornos no estructurados o con múltiples tipos de objetos a tratar, para los que no se dispone de un modelo físico. Como respuesta al principal problema que ofrecen los sistemas de manipulación basados en utilización de modelos dinámicos, su falta de adaptabilidad, en esta Tesis se ofrece una visión alternativa para afrontar el reto de manipular objetos deformables, en la que el sistema no depende de tener previamente un modelo del objeto que va a usar. De esta manera se consigue un sistema ágil y adaptable que puede operar con una gran diversidad de objetos aun cuando el modelado no existe o es inapropiado. Esto se consigue controlando el sistema usando únicamente información interna de posicionamiento articular de los dedos y el brazo, e información de sensores táctiles colocados en las manos robóticas. El sistema se ha basado en el comportamiento humano para manipular objetos. El ser humano utiliza principalmente información táctil combinada con el propio conocimiento del posicionamiento y movimientos de los dedos de las manos para conocer cómo se deforma un objeto y si este se agarra con estabilidad o se producen deslizamientos entre mano y objeto. La arquitectura propuesta se ha organizado en tres niveles: agarre y exploración táctil, control táctil y planificación de tareas. El primer nivel se corresponde a la primera interacción entre mano y objeto, donde se establecen los puntos de contacto idóneos para realizar el agarre en función de la forma del objeto, y se incorpora además un procedimiento de exploración del objeto para analizar su rigidez combinando información táctil con información de desplazamiento de los dedos. De esta manera, se obtiene en la propia tarea de manipulación una descripción simplificada del objeto, sin tener que recurrir a un estudio dinámico previo del mismo. El segundo nivel se corresponde con el control de los dedos en función de la información táctil obtenida durante toda la tarea de manipulación, que permite tanto evitar deslizamientos y pérdida de contacto con el objeto, como producir deformaciones locales en él. En este nivel se presenta el concepto innovador de control táctil aplicado a los dedos de manos humanoides. Se describe también el concepto de imágenes táctiles, usadas para encapsular información táctil proveniente de distintos tipos de sensores en una misma representación escalada. Esta representación permite identificar el estado de las configuraciones de contacto, y por lo tanto utilizar el control táctil en función de las variaciones que se vayan produciendo en ellas. Por último, al nivel más alto, se presenta el método de planificación de tareas propuesto. Este método se basa en los niveles anteriores, que dan información descriptiva del objeto usado y de la configuración de contactos. Se divide en dos partes, un planificador global que establece movimientos de brazo y mano para realizar las trayectorias deseadas para llevar a cabo una tarea, y un planificador local que se encarga de controlar la interacción entre cada uno de los dedos y el objeto, previniendo la pérdida de contacto y aplicando deformaciones locales cuando la tarea lo requiere. La Tesis se ha organizado acordemente a la estructura descrita anteriormente. El primer Capítulo incluye una introducción de los objetivos, ámbito y motivación de la Tesis. En el segundo Capítulo se describe el mecanismo de agarre y exploración propuesto. Se hace además en este Capítulo un repaso sobre el estado del arte en técnicas de agarre y modelado, y una descripción de los principales conceptos relacionados con el agarre (matriz de agarre, modelado y medidas de calidad). En el tercer Capítulo se describe el sistema de control táctil propuesto y el uso de imágenes táctiles. Se añade además un repaso histórico sobre técnicas de control en la manipulación de objetos y tecnologías relacionadas con los sensores táctiles. El Capítulo cuarto describe el planificador propuesto, tanto a nivel local como a nivel global. En este Capítulo se presenta también un repaso histórico sobre técnicas de planificación en la manipulación de objetos, tanto usando un sistema uni-manual como un sistema bi-manual. Se incluye además un análisis sobre el comportamiento dinámico de objetos deformables, que se usa como base en la planificación de las tareas para provocar deformación. Los tres Capítulos que forman el núcleo de la Tesis, contienen una sección de pruebas en las que se justifica la utilización de los métodos propuestos en casos reales de aplicación y se demuestra la viabilidad del sistema. La Tesis se completa con un Capítulo final de conclusiones, resumen y enumeración de las publicaciones relacionadas con las aportaciones comentadas anteriormente.

[EN] The main objective of this thesis is the development of new sensors and actuators using Printed Electronics technology. For this, conductive, semiconductor and dielectric polymeric materials are used on flexible and/or elastic substrates. By means of suitable designs and application processes, it is possible to manufacture sensors capable of interacting with the environment. In this way, specific sensing functionalities can be incorporated into the substrates, such as textile fabrics. Additionally, it is necessary to include electronic systems capable of processing the data obtained, as well as its registration. In the development of these sensors and actuators, the physical properties of the different materials are precisely combined. For this, multilayer structures are designed where the properties of some materials interact with those of others. The result is a sensor capable of capturing physical variations of the environment, and convert them into signals that can be processed, and finally transformed into data. On the one hand, a tactile sensor printed on textile substrate for 2D gesture recognition was developed. This sensor consists of a matrix composed of small capacitive sensors based on a capacitor type structure. These sensors were designed in such a way that, if a finger or other object with capacitive properties, gets close enough, its behaviour varies, and it can be measured. The small sensors are arranged in this matrix as in a grid. Each sensor has a position that is determined by a row and a column. The capacity of each small sensor is periodically measured in order to assess whether significant variations have been produced. For this, it is necessary to convert the sensor capacity into a value that is subsequently digitally processed. On the other hand, to improve the effectiveness in the use of the developed 2D touch sensors, the way of incorporating an actuator system was studied. Thereby, the user receives feedback that the order or action was recognized. To achieve this, the capacitive sensor grid was complemented with an electroluminescent screen printed as well. The final prototype offers a solution that combines a 2D tactile sensor with an electroluminescent actuator on a printed textile substrate. Next, the development of a 3D gesture sensor was carried out using a combination of sensors also printed on textile substrate. In this type of 3D sensor, a signal is sent generating an electric field on the sensors. This is done using a transmission electrode located very close to them. The generated field is received by the reception sensors and converted to electrical signals. For this, the sensors are based on electrodes that act as receivers. If a person places their hands within the emission area, a disturbance of the electric field lines is created. This is due to the deviation of the lines to ground using the intrinsic conductivity of the human body. This disturbance affects the signals received by the electrodes. Variations captured by all electrodes are processed together and can determine the position and movement of the hand on the sensor surface. Finally, the development of an improved 3D gesture sensor was carried out. As in the previous development, the sensor allows contactless gesture detection, but increasing the detection range. In addition to printed electronic technology, two other textile manufacturing technologies were evaluated. / [ES] La presente tesis doctoral tiene como objetivo fundamental el desarrollo de nuevos sensores y actuadores empleando la tecnología electrónica impresa, también conocida como Printed Electronics. Para ello, se emplean materiales poliméricos conductores, semiconductores y dieléctricos sobre sustratos flexibles y/o elásticos. Por medio de diseños y procesos de aplicación adecuados, es posible fabricar sensores capaces de interactuar con el entorno. De este modo, se pueden incorporar a los sustratos, como puedan ser tejidos textiles, funcionalidades específicas de medición del entorno y de respuesta ante cambios de este. Adicionalmente, es necesario incluir sistemas electrónicos, capaces de realizar el procesado de los datos obtenidos, así como de su registro. En el desarrollo de estos sensores y actuadores se combinan las propiedades físicas de los diferentes materiales de forma precisa. Para ello, se diseñan estructuras multicapa donde las propiedades de unos materiales interaccionan con las de los demás. El resultado es un sensor capaz de captar variaciones físicas del entorno, y convertirlas en señales que pueden ser procesadas y transformadas finalmente en datos. Por una parte, se ha desarrollado un sensor táctil impreso sobre sustrato textil para reconocimiento de gestos en 2D. Este sensor se compone de una matriz formada por pequeños sensores capacitivos basados en estructura de tipo condensador. Estos se han diseñado de forma que, si un dedo u otro objeto con propiedades capacitivas se aproxima suficientemente, su comportamiento varía, pudiendo ser medido. Los pequeños sensores están ordenados en dicha matriz como en una cuadrícula. Cada sensor tiene una posición que viene determinada por una fila y por una columna. Periódicamente se mide la capacidad de cada pequeño sensor con el fin de evaluar si ha sufrido variaciones significativas. Para ello es necesario convertir la capacidad del sensor en un valor que posteriormente es procesado digitalmente. Por otro lado, con el fin de mejorar la efectividad en el uso de los sensores táctiles 2D desarrollados, se ha estudiado el modo de incorporar un sistema actuador. De esta forma, el usuario recibe una retroalimentación indicando que la orden o acción ha sido reconocida. Para ello, se ha complementado la matriz de sensores capacitivos con una pantalla electroluminiscente también impresa. El resultado final ofrece una solución que combina un sensor táctil 2D con un actuador electroluminiscente realizado mediante impresión electrónica sobre sustrato textil. Posteriormente, se ha llevado a cabo el desarrollo de un sensor de gestos 3D empleando una combinación de sensores impresos también sobre sustrato textil. En este tipo de sensor 3D, se envía una señal que genera un campo eléctrico sobre los sensores impresos. Esto se lleva a cabo mediante un electrodo de transmisión situado muy cerca de ellos. El campo generado es recibido por los sensores y convertido a señales eléctricas. Para ello, los sensores se basan en electrodos que actúan de receptores. Si una persona coloca su mano dentro del área de emisión, se crea una perturbación de las líneas de los campos eléctricos. Esto es debido a la desviación de las líneas de campo a tierra utilizando la conductividad intrínseca del cuerpo humano. Esta perturbación cambia/afecta a las señales recibidas por los electrodos. Las variaciones captadas por todos los electrodos son procesadas de forma conjunta pudiendo determinar la posición y el movimiento de la mano sobre la superficie del sensor. Finalmente, se ha llevado a cabo el desarrollo de un sensor de gestos 3D mejorado. Al igual que el desarrollo anterior, permite la detección de gestos sin necesidad de contacto, pero incrementando la distancia de alcance. Además de la tecnología de impresión electrónica, se ha evaluado el empleo de otras dos tecnologías de fabricación textil. / [CA] La present tesi doctoral té com a objectiu fonamental el desenvolupament de nous sensors i actuadors fent servir la tecnologia de electrònica impresa, també coneguda com Printed Electronics. Es va fer us de materials polimèrics conductors, semiconductors i dielèctrics sobre substrats flexibles i/o elàstics. Per mitjà de dissenys i processos d'aplicació adequats, és possible fabricar sensors capaços d'interactuar amb l'entorn. D'aquesta manera, es poden incorporar als substrats, com ara teixits tèxtils, funcionalitats específiques de mesurament de l'entorn i de resposta davant canvis d'aquest. Addicionalment, és necessari incloure sistemes electrònics, capaços de realitzar el processament de les dades obtingudes, així com del seu registre. En el desenvolupament d'aquests sensors i actuadors es combinen les propietats físiques dels diferents materials de forma precisa. Cal dissenyar estructures multicapa on les propietats d'uns materials interaccionen amb les de la resta. manera El resultat es un sensor capaç de captar variacions físiques de l'entorn, i convertirles en senyals que poden ser processades i convertides en dades. D'una banda, s'ha desenvolupat un sensor tàctil imprès sobre substrat tèxtil per a reconeixement de gestos en 2D. Aquest sensor es compon d'una matriu formada amb petits sensors capacitius basats en una estructura de tipus condensador. Aquests s'han dissenyat de manera que, si un dit o un altre objecte amb propietats capacitives s'aproxima prou, el seu comportament varia, podent ser mesurat. Els petits sensors estan ordenats en aquesta matriu com en una quadrícula. Cada sensor té una posició que ve determinada per una fila i per una columna. Periòdicament es mesura la capacitat de cada petit sensor per tal d'avaluar si ha sofert variacions significatives. Per a això cal convertir la capacitat del sensor a un valor que posteriorment és processat digitalment. D'altra banda, per tal de millorar l'efectivitat en l'ús dels sensors tàctils 2D desenvolupats, s'ha estudiat la manera d'incorporar un sistema actuador. D'aquesta forma, l'usuari rep una retroalimentació indicant que l'ordre o acció ha estat reconeguda. Per a això, s'ha complementat la matriu de sensors capacitius amb una pantalla electroluminescent també impresa. El resultat final ofereix una solució que combina un sensor tàctil 2D amb un actuador electroluminescent realitzat mitjançant impressió electrònica sobre substrat tèxtil. Posteriorment, s'ha dut a terme el desenvolupament d'un sensor de gestos 3D emprant una combinació d'un mínim de sensors impresos també sobre substrat tèxtil. En aquest tipus de sensor 3D, s'envia un senyal que genera un camp elèctric sobre els sensors impresos. Això es porta a terme mitjançant un elèctrode de transmissió situat molt a proper a ells. El camp generat és rebut pels sensors i convertit a senyals elèctrics. Per això, els sensors es basen en elèctrodes que actuen de receptors. Si una persona col·loca la seva mà dins de l'àrea d'emissió, es crea una pertorbació de les línies dels camps elèctrics. Això és a causa de la desviació de les línies de camp a terra utilitzant la conductivitat intrínseca de el cos humà. Aquesta pertorbació afecta als senyals rebudes pels elèctrodes. Les variacions captades per tots els elèctrodes són processades de manera conjunta per determinar la posició i el moviment de la mà sobre la superfície del sensor. Finalment, s'ha dut a terme el desenvolupament d'un sensor de gestos 3D millorat. A l'igual que el desenvolupament anterior, permet la detecció de gestos sense necessitat de contacte, però incrementant la distància d'abast. A més a més de la tecnologia d'impressió electrònica, s'ha avaluat emprar altres dues tecnologies de fabricació tèxtil. / Ferri Pascual, J. (2020). Tactile and Touchless Sensors Printed on Flexible Textile Substrates for Gesture Recognition [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153075 / TESIS