Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica. Ingeniero Civil Eléctrico / Esta tesis se enfoca en la interfaz hombre máquina (Human-Machine Interface) de un sistema de Teleoperación Bilaterial, con el objetivo de mejorar la experiencia del operador, incrementando la eficiencia y calidad del trabajo realizado por el robot controlado por el usuario. Se propone un sistema de teleoperación basado en la tecnología háptica, la cual entrega al usuario información del entorno de trabajo del robot a través del sentido del tacto además de la información tradicional entregada a través del sentido de la vista. Con un dispositivo de control háptico el usuario es capaz de percibir los relieves y formas de los objetos que rodean al robot. Para concretar el desarrollo de la teleoperación háptica, se implementa un método de cálculo de fuerza de retroalimentación utilizando la Point Cloud obtenida desde el entorno de operación del robot. En la teleoperación tradicional, el usuario sólo es asistido por las imágenes de las cámaras ubicadas en el sitio de operación. Con la metodología propuesta, el operador puede tomar mejores decisiones ya que además de la información visual, posee la información táctil.
La hipótesis de este trabajo es que la teleoperación háptica permite al operador controlar un brazo robótico con mayor precisión, comparando su desempeño con una teleoperación no háptica. La retroalimentación háptica en el dispositivo de control permite evitar movimientos indeseados con el robot, y por lo tanto previene colisiones. En el sistema de teleoperación propuesto, el brazo robótico tiene sujeto una cámara RGB-D cerca del efector, con lo cual se obtienen imágenes 3D del ambiente desde diferentes ángulos. El movimiento del efector del robot es controlado por el usuario a través del dispositivo háptico Phantom Omni, el cual está sujeto a las restricciones del algoritmo de proxy. Usando el algoritmo háptico, la información de posición del proxy y el movimiento requerido por el operador, se realiza el desplazamiento del efector del robot. El efector se mueve libremente cuando no hay obstáculos, pero al detectar una posible colisión emite una señal que activa en el dispositivo Phantom Omni una fuerza de retroalimentación para el usuario, quien percibe la repulsión del objeto presente en el ambiente real del robot. La validación experimental de la metodología de teleoperación propuesta, consiste en la realización de pruebas de seguimiento de trayectoria por 20 operadores humanos voluntarios, utilizando el efector del robot industrial KUKA y un panel de pruebas. Los operadores deben completar las pruebas de seguimiento mediante el uso de retroalimentación háptica y también en la ausencia de esta. Además, se les pide completar estas tareas usando dos modos de cinemática del robot. Para cada usuario voluntario se obtuvo el error de posición del efector del robot en cada sección de la trayectoria, se contabilizó la cantidad de correcciones de posición, cantidad de colisiones (fuertes y débiles), y además se obtuvo el tiempo requerido para completar la tarea.
Los resultados obtenidos a partir del análisis estadístico de la validación experimental, confirman que con el método de teleoperación háptico (comparado con la teleoperación no háptica) se aumenta la precisión del operador en tareas de seguimiento de trayectoria. Este aumento en la precisión se refleja en la reducción del error promedio entre el desplazamiento ideal y el desplazamiento realizado por los usuarios, además de reducir el número de colisiones totales entre el efector del robot y el panel de pruebas. De esta manera, se confirma la hipótesis planteada, demostrando que al agregar el sentido háptico a sistemas de control bilaterales aumenta la precisión de teleoperación y se reducen los tiempos de entrenamiento que requieren los operadores para mover el robot real con éxito. / This thesis is focused on the Human-Machine Interface of a Bilateral Teleoperation System, the
objective of which is to improve the operator experience via increasing the e ciency and quality of
the teleoperated robot tasks. The teleoperation system proposed in this work uses haptic technology
that provides the user with environmental information from the robot workspace via the senses of
touch and sight, using the haptic device and a traditional screen. With the haptic control device,
the user senses the reliefs and forms of the objects that surround the robot. To make this possible,
it is necessary calculate the force feedback from the Point Cloud data of the robot workspace.
Using traditional teleoperation systems, the user is only assisted by images from cameras located in
the operation zone. On the other hand, with the proposed approach the operator can make better
decisions with more information (haptic and visual) from the robot environment.
The hypothesis of this work is that the haptic teleoperation gives the user a more precise control of
the robotic arm compared to traditional non-haptic teleoperation. The haptic feedback in the control
device avoids undesirable movements with the robotic arm and, therefore, prevents collisions. In the
proposed teleoperation system, the robotic arm has a RGB-D camera near its end-e ector, enabling
3D images to be taken of the environment using di erent angles. The end-e ector movement is
controlled by the user through the haptic device Phantom Omni and the proxy algorithm. Using
the force feedback algorithm, the proxy position, and the required movement from the operator,
the robot end-e ector can be moved. The end-e ector moves freely when no obstacles are detected,
but when a possible collision is close, a signal is activated in the Phantom Omni, and the force
is fed back to the user, who perceives the object repulsion from the real robot workspace. The
experimental validation of the proposed methodology consists of follow path tasks in a test panel
with 20 volunteers, using the end-e ector of an industrial robot KUKA. The operators must complete
the follow path tasks with and without the force feedback. Furthermore, the users have to complete
the tasks with two modes of robot cinematic control. For each user, the following are obtained: the
e ector error position in every step of the trajectory, the total position corrections, the number of
collisions (strong and weak), and nally the total time in completing the tasks.
The results obtained from the statistical analysis of experimental validation con rm that using
the method of haptic teleoperation instead of the non-haptic method increases the operator precision
in a follow path task. This precision increment is observed in the mean error reduction between the
ideal trajectory and the trajectory generated by the users, and decrease of the total number of
collisions between the robot end-e ector and the test panel. The hypothesis is con rmed, proving
that incorporating the touch sense to a bilateral teleoperation system increases the precision and
decreases the training time required by the users for moving the robot in the real environment.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UCHILE/oai:repositorio.uchile.cl:2250/140480 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Valenzuela Urrutia, David Rodrigo |
| Contributors | Ruiz del Solar, Javier, Adams, Martin, Daud Albasini, Omar |
| Publisher | Universidad de Chile |
| Source Sets | Universidad de Chile |
| Language | Spanish |
| Detected Language | English |
| Type | Tesis |
| Rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Chile, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/cl/ |
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