A novel robotic framework for safe inspection and telemanipulation in hazardous and unstructured environments

摘要

Los sistemas robóticos inteligentes se están convirtiendo en algo esencial para las aplicaciones espaciales, industriales, las centrales nucleares y los entornos hostiles en general, tales como las complejas instalaciones del acelerador de partículas de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) y sus experimentos. La tecnología robótica tiene un enorme potencial para el beneficio de las personas y su ámbito de aplicación final depende de la forma en que esta es utilizada. Con el fin de incrementar la seguridad y disponibilidad de las maquinas, los robots pueden llevar a cabo tareas repetitivas, inesperadas y peligrosas, las cuales prefieren ser evitadas por los humanos o bien, son incapaces de realizarlas debido a tales peligros, limitaciones de espacio, o los entornos extremos donde tienen lugar. En la actualidad, los sistemas de mecatrónica utilizan tecnologías consolidadas que les permite un uso robusto y seguro, incluso en colaboración con trabajadores humanos. En los últimos años, el avance de los robots se ha basado en el desarrollo de sensores inteligentes, inteligencia artificial y sistemas mecánicos modulares. Debido a la multitud de desafíos que los entornos peligrosos y desestructurados generan a la hora de aplicar sistemas industriales autónomos, todavía existe una amplia demanda de sistemas inteligentes y tele-operados que entregan el control de un robot (esclavo) a un operador humano a través de dispositivos de entrada hápticos (maestro). Técnicas modernas como los sistemas de simulación y la realidad virtual pueden facilitar la preparación de herramientas mecatrónicas puntuales e intervenciones robóticas, incluyendo escenarios de recuperación y modo de análisis de fallos. La contribución base de esta tesis es el desarrollo de un novedoso framework robótico para inspecciones autónomas y teleoperaciones supervisadas en entornos hostiles. El framework propuesto cubre los aspectos de una intervención robótica al completo, desde la especificación y adiestramiento del operador, la elección del robot y sus materiales acorde con los posibles riesgos de contaminación radiológica, hasta la realización de la intervención, incluyendo procedimientos y planes de recuperación. En un segundo conjunto de contribuciones, se desarrolla un método para las operaciones de mantenimiento mediante multirobots, incluyendo la preparación de las intervenciones y las mejores prácticas para la manipulación remota y herramientas avanzadas. El tercer grupo de contribuciones se basa en una nueva interfaz multimodal humano-robot fácil de usar, la cual permite entrenar operadores inexpertos en operaciones robóticas, haciendo uso de sistemas y técnicas de realidad virtual, para tareas de inspección y/o mantenimiento. En esta tesis, explotamos un sistema robótico capaz de navegar de forma autónoma, inspeccionando entornos desconocidos de una forma segura. Un nuevo sistema de control en tiempo real ha sido implementado con el fin de garantizar una respuesta rápida a los cambios del entorno y la adaptación a los diferentes tipos de escenarios que el robot podría encontrar en un entorno hostil y semiestructurado. El nuevo sistema para el control de robots propuesto, ha sido integrado en diferentes robots, además de testeado y validado en un gran número de intervenciones robóticas dentro de las instalaciones del complejo acelerador de partículas del CERN. ----------ABSTRACT---------- Intelligent robotic systems are becoming essential for space applications, industries, nuclear plants and for harsh environments in general, such as the European Organization for Nuclear Research (CERN) particles accelerator complex and experiments. Robotics technology has huge potential benefits for people and its ultimate scope depends on the way this technology is used. In order to increase safety and machine availability, robots can perform repetitive, unplanned and dangerous tasks, which humans either prefer to avoid or are unable to carry out due t