Dimensional calculation optimal platform Stewart-Gough type parallel to pedagogical applications using genetic algorithms

En este artículo se propone el diseño óptimo de una plataforma paralela tipo Stewart-Gough que cubre un espacio de trabajo esférico. El cálculo de las dimensiones del robot se realizó por medio de técnicas de algoritmos genéticos. Ilustra los cálculos de cinemática inversa y del espacio de trabajo. Esta plataforma esta diseñada para aplicaciones pedagógicas en las áreas de teleoperación, control, visión y automatización usando robótica paralela. La plataforma experimental puede ser operada remotamente por usuarios de diversas universidades utilizando un lenguaje de programación bastante intuitivo y común.This paper proposes an optimal design of a parallel platform type Stewart-Gough that covers a spherical workspace. The dimension of the parallel robot was obtained using techniques of genetic algorithms. It illustrates the calculus of the inverse kinematics and the workspace. The platform was designed for educational applications such as: teleoperation, control, vision and automations oriented to parallel robotics. Users of different universities can operated remotely the experimental platform using a programming language rather intuitive and common

Desarrollo de un algoritmo que permita la implementación futura de un software para el análisis cinemático inverso de mecanismos en 3D

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.Tesi

A New Index for Detecting and Avoiding Type II Singularities for the Control of Non-Redundant Parallel Robots

[ES] Los robots paralelos (PR por sus siglas en inglés) son mecanismos donde el efector final está unido a la base, mediante al menos dos cadenas cinemáticas abiertas. Los PRs ofrecen una gran capacidad de carga y alta precisión, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones, entre ellas la interacción persona-robot. Sin embargo, en las proximidades de una singularidad Tipo II (singularidad dentro del espacio de trabajo), un PR pierde el control sobre los movimientos del efector final. La pérdida de control representa un riesgo importante para los usuarios, especialmente en rehabilitación robótica. En las últimas décadas, los PR se han popularizado en la rehabilitación de miembros inferiores debido al aumento del número de personas que viven con limitaciones físicas. Así, esta tesis trata sobre la detección y evitación de singularidades de Tipo II para asegurar total control de un PR no redundante para la rehabilitación y diagnóstico de rodilla, denominado 3UPS+RPU. En la literatura, existen varios índices para detectar y medir la cercanía a una singularidad basados en métodos analíticos y geométricos. Sin embargo, algunos de estos índices carecen de significado físico y son incapaces de identificar los actuadores responsables de la pérdida de control. Esta tesis aporta dos novedosos índices para detectar y medir la proximidad a una singularidad de Tipo II, capaces de identificar el par de actuadores responsables de la singularidad. Los dos índices son los ángulos entre los componentes lineal (T_i,j) y angular (O_i,j) de dos Twist Screw de Salida (OTS por sus siglas en inglés) normalizados i,j. Una singularidad Tipo II es detectada cuando T_i,j = O_i,j = 0 y su proximidad se mide mediante los mínimos ángulos T_i,j (minT) y O_i,j (minO) para los casos plano y espacial, respectivamente. La eficacia de los índices T_i,j y O_i,j se evalúa de forma teórica y experimental en un robot 3UPS+RPU y un mecanismo de cinco barras. Además, se propone un procedimiento experimental para el adecuado establecimiento del límite de cercanía a una singularidad de Tipo II mediante la aproximación progresiva del PR a una singularidad y la medición de la última posición controlable. Posteriormente, se desarrollan dos nuevos algoritmos deterministas para liberar y evitar una singularidad de Tipo II basados en minT y minO para PR no redundantes. minT y minO se utilizan para identificar los dos actuadores a mover para liberar o evitar el PR de una singularidad. Ambos algoritmos requieren una medición precisa de la pose alcanzada por el efector final. El algoritmo para liberar un PR de una configuración singular se aplica con éxito en un controlador híbrido basado en visión artificial para el PR 3UPS+RPU. El controlador utiliza un sistema de fotogrametría para medir la pose del robot debido a la degeneración del modelo cinemático en las proximidades de una singularidad. El algoritmo de evasión de singularidades Tipo II se aplica a la planificación offline y online de trayectorias no singulares para un mecanismo de cinco barras y el PR 3UPS+RPU. Estas aplicaciones verifican el bajo coste computacional y la mínima desviación introducida en la trayectoria original por los nuevos algoritmos. La implementación directa de un controlador de fuerza/posición en el PR 3UPS+RPU es insegura porque el paciente podría llevar involuntariamente al PR a una singularidad. Por lo tanto, esta tesis concluye presentando un novedoso controlador de fuerza/posición complementado con el algoritmo de evasión de singularidades de Tipo II. El nuevo controlador se evalúa durante rehabilitación activa de una pierna de maniquí y una pierna humana no lesionada. Los resultados muestran que el nuevo controlador combinado mantiene el PR 3UPS+RPU lejos de configuraciones singulares con una desviación mínima de la trayectoria original. Por lo tanto, esta tesis habilita el 3UPS+RPU PR para la rehabilitación segura de miembros inferiores lesionados.[CAT] Els robots paral·lels (PR per les seues sigles en anglés) són mecanismes on l'efector final està unit a la base, mitjançant almenys dues cadenes cinemàtiques obertes. Els PRs ofereixen una gran capacitat de càrrega i alta precisió, la qual cosa els fa adequats per a diverses aplicacions, entre elles la interacció persona-robot. No obstant això, en les proximitats d'una singularitat Tipus II (singularitat dins de l'espai de treball), un PR perd el control sobre els moviments de l'efector final. La pèrdua de control representa un risc important per als usuaris, especialment en rehabilitació robòtica. En les últimes dècades, els PR s'han popularitzat en la rehabilitació de membres inferiors a causa de l'augment del nombre de persones que viuen amb limitacions físiques. Així, aquesta tesi tracta sobre la detecció i evació de singularitats de Tipus II per a assegurar total control d'un PR no redundant per a la rehabilitació i diagnòstic de genoll, denominat 3UPS+RPU. En la literatura, existeixen diversos índexs per a detectar i mesurar la proximitat a una singularitat basats en mètodes analítics i geomètrics. No obstant això, alguns d'aquests índexs manquen de significat físic i són incapaços d'identificar els actuadors responsables de la pèrdua de control. Aquesta tesi aporta dos nous índexs per a detectar i mesurar la proximitat a una singularitat de Tipus II, capaços d'identificar el parell d'actuadors responsables de la singularitat. Els dos índexs són els angles entre els components lineal (T_i,j) i angular (O_i,j) de dues Twist Screw d'Eixida (OTS per les seues sigles en engonals) normalitzats i,j. Una singularitat Tipus II és detectada quan T_i,j = O_i,j = 0 i la seua proximitat es mesura mitjançant els minimos angles T_i,j (minT) i O_i,j (minO) per als casos pla i espacial, respectivament. L'eficàcia dels índexs T_i,j i O_i,j es evalua de manera teòrica i experimental en un robot 3UPS+RPU i un mecanisme de cinc barres. A més, es proposa un procediment experimental per a l'adequat establiment del límit de proximitat a una singularitat de Tipus II mitjançant l'aproximació progressiva del PR a una singularitat i el mesurament de l'última posició controlable. Posteriorment, es desenvolupen dos nous algorismes deterministes per a alliberar i evadir una singularitat de Tipus II basats en minT i minO per a PR no redundants. minT i minO s'utilitzen per a identificar els dos actuadors a moure per a alliberar o evadir el PR d'una singularitat. Aquests algorismes requereixen un mesurament precís de la posa aconseguida per l'efector final. L'algorisme per a alliberar un PR d'una configuració singular s'aplica amb èxit en un controlador híbrid basat en visió artificial per al PR 3UPS+RPU. El controlador utilitza un sistema de fotogrametria per a mesurar la posa del robot a causa de la degeneració del model cinemàtic en les proximitats d'una singularitat. L'algorisme d'evació de singularitats Tipus II s'aplica a la planificació offline i en línia de trajectòries no singulars per a un mecanisme de cinc barres i el PR 3UPS+RPU. Aquestes aplicacions verifiquen el baix cost computacional i la mínima desviació introduïda en la trajectòria original pels nous algorismes. La implementació directa d'un controlador de força/posició en el PR 3UPS+RPU és insegura perquè el pacient podria portar involuntàriament al PR a una singularitat. Per tant, aquesta tesi conclou presentant un nou controlador de força/posició complementat amb l'algorisme d'evació de singularitats de Tipus II. El nou controlador s'avalua durant la rehabilitació activa d'una cama de maniquí i una cama humana no lesionada. Els resultats mostren que el nou controlador combinat manté el PR 3UPS+RPU lluny de configuracions singulars amb una desviació mínima de la trajectòria original. Per tant, aquesta tesi habilita el 3UPS+RPU PR per a la rehabilitació segura dels membres inferiors lesionats.[EN] Parallel Robots (PR)s are mechanisms where the end-effector is linked to the base by at least two open kinematics chains. The PRs offer a high payload and high accuracy, making them suitable for various applications, including human robot interaction. However, in proximity to a Type II singularity (singularity within the workspace), a PR loses control over the movements of the end-effector. The loss of control represents a major risk for users, especially in robotic rehabilitation. In the last decades, PRs have become popular in lower limb rehabilitation because of the increment in the number of people living with physical limitations. Thus, this thesis is about the detection and avoidance of Type II singularities to ensure complete control of a non-redundant PR for knee rehabilitation and diagnosis named 3UPS+RPU. In the literature, several indices exist to detect and measure the closeness to a singular configuration based on analytical and geometrical methods. However, some of these indices have no physical meaning, and they are unable to identify the actuators responsible for the loss of control. This thesis contributes two novel indices to detect and measure the proximity to a Type II singularity capable of identifying the pair of actuators responsible for the singularity. The two indices are the angles between the linear (T_i,j) and the angular (O_i,j) components of two i,j normalised Output Twist Screws (OTSs). A Type II singularity is detected when the angles T_i,j = O_i,j = 0 and its closeness is measured by the minimum T_i,j (minT) and minimum O_i,j (minO) for planar and spatial cases, respectively. The effectiveness of the indices T_i,j and O_i,j is evaluated from a theoretical and experimental perspective in a 3UPS+RPU and a five bars mechanism. Moreover, an experimental procedure is proposed for setting a proper limit of closeness to a Type II singularity by the progressive approach of the PR to singular configuration and measuring the last controllable pose. Subsequently, two novel deterministic algorithms for releasing and avoiding Type II singularities based on minT and minO are developed for non-redundant PRs. The minT and minO are used to identify the two actuators to move for release or prevent the PR from the singularity. Both algorithms require an accurate measuring of the pose reached by the end-effector. The algorithm to release a PR from a singular configuration is successfully applied in a vision-based hybrid controller for the 3UPS+RPU PR. The controller uses a photogrammetry system to measure the pose of the robot due to the degeneration of the kinematic model in the vicinity of a singularity. The Type II singularity avoidance algorithm is applied to offline and online free-singularity trajectory planning for a five-bar mechanism and the 3UPS+RPU PR. These applications verify the low computation cost and the minimum deviation introduced in the original trajectory for both novel algorithms. The direct implementation of a force/position controller in the 3UPS+RPU PR is unsafe because the patient could unintentionally drive the PR to a Type II singularity. Therefore, this thesis concludes by presenting a novel force/position controller complemented with the Type II singularity avoidance algorithm. The complemented controller is evaluated during patient-active exercises in a mannequin leg and an uninjured human limb. The results show that the novel combined controller keeps the 3UPS+RPU PR far from singular configurations with a minimum deviation on the original trajectory. Hence, this thesis enables the 3UPS+RPU PR for the safe rehabilitation of injured lower limbs.Pulloquinga Zapata, JL. (2023). A New Index for Detecting and Avoiding Type II Singularities for the Control of Non-Redundant Parallel Robots [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19427

Planificación y ejecución de trayectorias libres de singularidades en robots paralelos 3-RRR

Este proyecto desarrolla un sistema que permite evaluar experimentalmente un método de planificación de movimientos libres de singularidades propuesto por Bohigas y col. en 2013. El sistema incluye (1) un robot paralelo 3-RRR, (2) un planificador que calcula trayectorias libres de singularidades y colisiones entre dos configuraciones dadas del robot, (3) un sistema de control que permite ejecutar las trayectorias con bajo error de posicionado, y (4) una interfaz gráfica que facilita la especificación de los problemas a resolver, así como la simulación, ejecución y análisis de las trayectorias resultantes. Para calcular las trayectorias definimos un sistema de ecuaciones que integra todas las restricciones de exclusión de singularidades y colisiones, y exploramos el espacio solución de este sistema utilizando métodos numéricos de continuación multidimensional. La integración de todas las restricciones en un único sistema evita la utilización de detectores de colisión, permitiendo el cálculo de las trayectorias en períodos de tiempo generalmente muy breves. El proyecto describe detalladamente los subsistemas de planificación, ejecución y control, e ilustra su funcionamiento mediante un experimento práctico que abarca todo el proceso, desde la definición de las configuraciones inicial y final, hasta la síntesis, acondicionamiento, y ejecución de la trayectoria, así como la captura y análisis de los datos sensoriales del robot a lo largo de todo el movimiento. El proyecto, finalmente, identifica algunos puntos que se podrían considerar en futuras extensiones de este trabajo

CONTROL KINECT DE UN BRAZO ROBÓTICO DE 5 GDL A TRAVÉS DE UNA INTERFAZ INTUITIVA

EL SENTIDO DE LA HISTORIA DEFINICIÓN DEL ROBOT CLASIFICACIÓN DE LOS ROBOTS CLASIFICACIÓN SEGÚN LA GENERACIÓN CLASIFICACIÓN SEGÚN EL ÁREA DE APLICACIÓN CLASIFICACIÓN SEGÚN EL NÚMERO DE EJES CLASIFICACIÓN SEGÚN LA CONFIGURACIÓN CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE CONTROL MORFOLOGÍA DEL ROBOT ESTRUCTURA MECÁNICA DE UN ROBOT TRANSMISIONES ACTUADORES SENSORES INTERNOS ELEMENTOS TERMINALES MÉTODOS DE LOCALIZACIÓN ESPACIAL REPRESENTACIÓN DE LA POSICIÓN Y ORIENTACIÓN MATRICES DE TRANSFORMACIÓN HOMOGÉNEA RELACIÓN ENTRE ÁNGULOS DE EULER Y MATRICES HOMOGÉNEAS CINEMÁTICA DEL ROBOT CINEMÁTICA INVERSA CINEMÁTICA DIFERENCIAL DINÁMICA DEL ROBOT CONTROL DINÁMICO DEL ROBOT SENSOR KINECT INTERFACES NATURALES DE USUARIO EL SENTIDO DEL DISEÑO DISEÑO CONCEPTUAL ANÁLISIS CINEMÁTICO ANÁLISIS DINÁMICO DISEÑO MECÁNICO AVANZADO CONTROL DINÁMICO DEL BRAZO ROBÓTICO CONTROL PID CON COMPENSACIÓN DE GRAVEDAD SIMULACIÓN CONTROLADA DE REALIDAD VIRTUAL CONTROL KINECT. DISEÑO DE LA INTERFAZ INTUITIVA PRUEBAS, RESULTADOS Y ANÁLISI

Diseño e Implementación de un Prototipo de Brazo Robótico (4gl) Teleoperado para Manipulación de Sustancias Tóxicas Asistido con Visión Artificial y Redes Neuronales para Laboratorios Farmacéuticos

El presente trabajo de investigación tiene por finalidad, dar una alternativa de solución a la manipulación de sustancias tóxicas para laboratorios específicamente farmacéuticos en salvaguarda de la salud del personal involucrado, razón por la cual esta tesis está evocada a la creación desde el diseño inicial de un prototipo de un brazo robótico de cuatro grados de libertad teleoperado y asistido con visión artificial y redes neuronales. El proyecto consta de seis capítulos, los mismos que serán descritos a continuación: El Capítulo I Fundamentación muestra la base científica sobre la que se construye la investigación, la misma que inicia con la identificación y descripción de la problemática a abordar; para luego dar un vistazo a los antecedentes con mayor relación a la presente tesis. Posteriormente se planteó los objetivos que se desean lograr al término del proyecto, se formuló una hipótesis y se dio a conocer la justificación y los alcances respectivos, para finalizar con la metodología de investigación que se siguió durante la realización del trabajo. El Capítulo II Marco Teórico recopila de forma sintetizada todo el soporte teórico necesario para comprender cada uno de los temas implicados en la investigación, que fueron aplicados para su desarrollo. Este apartado está dividido principalmente en seis secciones, siendo la primera referida a los laboratorios farmacéuticos con la finalidad de dar una visión global de la aplicación, para luego evocarnos a la parte de ingeniería propiamente del proyecto, definiendo criterios teóricos acerca de Robótica, Teleoperación, Visión Artificial, Redes Neuronales y Control por Torque Computado. El Capítulo III Diseño engloba en su totalidad el proceso de diseño del manipulador robótico desde el modelamiento matemático, pasando por la concepción de forma del robot, hasta la elección de los actuadores tomando en cuenta el torque que se necesita, en condiciones críticas para la parte mecánica. Y en cuanto al diseño electrónico, se consideró la elección de los componentes necesarios para posteriormente llevar a cabo el diseño preliminar del circuito. Finalmente se realizó el diseño de la maqueta, la misma que tiene por finalidad representar el ambiente para efectuar la aplicación del brazo robótico. El Capítulo IV Implementación se divide en dos grandes secciones, la primera referida a la Implementación Mecánica, en la que, a partir del diseño planteado, se fabricó y se realizó el montaje de cada una de las piezas que componen al brazo robótico, para luego llevar a cabo las pruebas respectivas y verificar así un buen funcionamiento, y la segunda, la Implementación Electrónica, en donde se desarrolló la integración de cada uno de los elementos ya elegidos y la impresión final del circuito, para finalmente someterlos en conjunto a diferentes ensayos a fin de comprobar su correcta operatividad. El Capítulo V Control e Interfaz Gráfica de Usuario contiene el desarrollo de toda la estrategia de control aplicada al sistema robótico y la interfaz HMI la misma que facilita la teleoperación del manipulador. En cuanto al Control se puede identificar claramente tres partes primordiales, iniciando con el modelamiento Kinect, el mismo que alberga la visión artificial del proyecto y se encarga de transformar el movimiento gestual del operador en coordenadas que sean entendibles por el brazo robótico; posteriormente, tenemos el control cinemático basado en redes neuronales, para la obtención de las coordenadas articulares del robot, las mismas que fueron utilizadas como entrada para el control Dinámico por Torque computado. Finalmente, en este apartado se puede encontrar también la programación usada en la tarjeta de Adquisición y Envío de datos, Raspberry, y la integración en su totalidad de cada una de las partes ya descritas para dar lugar al Sistema de Control del Brazo Robótico y realizar así las respectivas pruebas de funcionamiento virtuales. Y el Capítulo VI Pruebas y Resultados muestra la realización del ensayo llevado a cabo a fin de verificar de manera real el buen funcionamiento del proyecto, a nivel de diseño, implementación y control, con ayuda de la Interfaz Gráfica creada y demostrar que se alcanzó el objetivo propuesto. PALABRAS CLAVE: Brazo robótico, Teleoperación, Visión Artificial, Redes Neuronales, Laboratorios Farmacéuticos