Passivity-based multilateral control for delayed teleoperation

Abstract

Hoy en día los mecanismos robóticos son una herramienta madura y segura en el campo de la automatización, así como en la colaboración con trabajadores. En los últimos años el progreso de las tecnologías robóticas ha logrado una mayor eficiencia computacional, desarrollo de sensores más inteligentes y mecanismos robóticos ligeros controlados por impedancia, dando lugar así a nuevos campos de aplicación. Donde, además de las cono- cidas industrias espaciales y nucleares, se han creado y evolucionado nuevos mercados para robots, como por ejemplo el campo de la medicina y el mantenimiento industrial. Ya que estos requieren un sistema robótico para entornos no estructurados, restringidos y dinámicos. No obstante este tipo de entornos continúan suponiendo un reto para los sistemas autónomos, existiendo así una alta demanda actual de sistemas de tele-operación, los cuales permiten a un operador humano controlar un sistema robótico (esclavo) a través de un dispositivo de entrada háptico (maestro). Adicionalmente, en este sistema de tele-operación, el operador cuenta con sistemas de retroalimentación del entorno, ya sea acústico, visual o de tacto, donde el bucle de control háptico resulta ser primordial para proporcionar una sensación de contacto crucial en la operación. Por otro lado, las técnicas de control modernas han conseguido mejorar la transparencia, es decir, la calidad de inmersión en el entorno del esclavo que el operador humano percibe a través de su dispositivo de interacción. De este modo, mediante el uso de la telemanipulación, se ha vuelto posible el uso de sistemas robóticos para mantenimiento de plantas o trabajos complejos de construcción, como en la industria nuclear. Pero aun, la eficiencia de los así conocidos sistemas de operación bilateral están limitados en varias situaciones. Agentes robóticos de cooperación múltiple, ya sea autnomos o teleoperados, pueden alcanzar un objetivo común más fácilmente. Así también, en términos de fiabilidad adaptabilidad y ergonomía de multirobots, o sistemas de control multilateral, respectivamente, puede traer apreciables beneficios. La contribución básica de esta tesis es el desarrollo de un sistema de control modular que permita un análisis de estabilidad simple enfocado a una gran variedad de configuraciones multilaterales gracias a su modularidad. El control ha sido basado en pasividad, el cual es un criterio de estabilidad ampliamente usado particularmente en presencia de retardos en el canal de comunicación. En un segundo conjunto de contribuciones, se han desarrollado nuevas arquitecturas de control con la finalidad de incrementar la eficiencia, en términos de precisión de la posición y en la impedancia percibida de un acoplamiento multilateral. En este contexto, han sido propuesto y validados nuevos enfoques de control para sistemas con retardo en el dominio del tiempo, medición de retroalimentación por fuerza y un amplio concepto del control de velocidad. El tercer conjunto de aportaciones está enfocado a incrementar la sensación háptica, las cuales surgen a partir de los desarrollos antes mencionados. El concepto de punto de agarre virtual y la aproximación del realce de la intención háptica son introducidos, ya que ambos aseguran incrementar la precisión en tareas de cooperación y en la manipulación de objetos grandes y flexibles. Adicionalmente, una distribución de roles se ha propuesto con el fin de incrementar la eficiencia del sistema en estos escenarios y permitir así, aplicaciones de entrenamiento háptico. El trabajo es original, ya que gran parte de los métodos presentados traen beneficios, en comparación con métodos del estado del arte, aun cuando son aplicadas en configuraciones bilaterales estándar, además de aportar novedosas aplicaciones multilaterales y conceptos de realce háptico. Por otro lado, todos los conceptos discutidos son evaluados a través de experimentos robóticos en campo en el curso de esta tesis y la generalidad del enfoque modular es valid