Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.

Sistema de control de temperatura a través de Arduino y la tecnología GPRS/GSM

El principal objetivo de este proyecto consiste en estudiar las posibilidades de desarrollo de un sistema para el control de la temperatura basado en la plataforma Arduino. Con el fin de alcanzar dicho objetivo, se ha implementado un sistema que permite la consulta y control de la temperatura ambiente a través de la red de comunicaciones móviles. Tras un análisis previo de las distintas placas Arduino, se evalúan una serie de módulos de expansión (shields) compatibles con dicha plataforma que nos permiten ampliar sus funcionalidades, dotando al dispositivo de un sistema de comunicación basado en la tecnología GPRS/GSM. Se estudian los diferentes sensores de temperatura compatibles con Arduino, además de una serie de actuadores que contribuyen al accionamiento y control de un posible termostato, así como al desarrollo de un pequeño sistema de alarma capaz de detectar temperaturas extremas. El proyecto concluye con el diseño de una aplicación basada en el entorno de desarrollo Arduino que nos permita evaluar las distintas capacidades de nuestro sistema, así como comunicarnos con la plataforma a través de SMS para el control remoto de la temperatura. ABSTRACT. The goal of the project consists of studying the developmental possibilities of a temperature control system based on the Arduino platform. In order to this, there has been implemented a system to consult and manage the environmental temperature through mobile communication networks. After a previous assessment of the different Arduino boards, there are analysed a set of expansion modules (shields) compatibles with the platform that enables us to upgrade the device functionalities with the GPRS/GSM communication protocol. Different temperature sensors compatible with Arduino have been studied. In addition, there are evaluated a set of actuators for the operation and control of a thermostat and also the development of a small alarm system that alerts of extremes temperatures. The project concludes with the design of an application based on the Arduino development environment which allows us to evaluate the different capabilities of our system as well as the communication with the platform by SMS for the remote temperature control.

Atmospheric and remote sensing surveys evaluated at the natural analogue "Campo de Calatrava" and its relation with isotopic Radon activity and CO2 flux as strategy for CCS projects

C0 capture and storage (CCS) projects are presently developed to reduce the emission of anthropogenic co2 into the atmosphere. CCS technologies are expected to account for the 20% of the C0 reduction by 2050.The results of this paper are referred to the OXYCFB300 Compostilla Project (European Energy Program for Recover). Since the detection and control of potential leakage from storage formation is mandatory in a project of capture and geological storage of C02 (CCS), geophysical , ground deformation and geochemical monitoring have been carried out to detect potentialleakage, and, in the event that this occurs, identify and quantify it. This monitoring needs to be developed prior, during and after the injection stage. For a correct interpretation and quantification of the leakage, it is essential to establish a pre-injection characterization (baseline)of the area affected by the C02 storage at reservoir level as well as at shallow depth, surface and atmosphere, via soil gas measurements.

Time domain passivity control for delayed teleoperation

La telepesencia combina diferentes modalidades sensoriales, incluyendo, entre otras, la visual y la del tacto, para producir una sensación de presencia remota en el operador. Un elemento clave en la implementación de sistemas de telepresencia para permitir una telemanipulación del entorno remoto es el retorno de fuerza. Durante una telemanipulación, la energía mecánica es transferida entre el operador humano y el entorno remoto. En general, la energía es una propiedad de los objetos físicos, fundamental en su mutual interacción. En esta interacción, la energía se puede transmitir entre los objetos, puede cambiar de forma pero no puede crearse ni destruirse. En esta tesis, se aplica este principio fundamental para derivar un nuevo método de control bilateral que permite el diseño de sistemas de teleoperación estables para cualquier arquitectura concebible. El razonamiento parte del hecho de que la energía mecánica insertada por el operador humano en el sistema debe transferirse hacia el entorno remoto y viceversa. Tal como se verá, el uso de la energía como variable de control permite un tratamiento más general del sistema que el control convencional basado en variables específicas del sistema. Mediante el concepto de Red de Potencia de Retardo Temporal (RPRT), el problema de definir los flujos de energía en un sistema de teleoperación es solucionado con independencia de la arquitectura de comunicación. Como se verá, los retardos temporales son la principal causa de generación de energía virtual. Este hecho se observa con retardos a partir de 1 milisegundo. Esta energía virtual es añadida al sistema de forma intrínseca y representa la causa principal de inestabilidad. Se demuestra que las RPRTs son transportadoras de la energía deseada intercambiada entre maestro y esclavo pero a la vez generadoras de energía virtual debido al retardo temporal. Una vez estas redes son identificadas, el método de Control de Pasividad en el Dominio Temporal para RPRTs se propone como mecanismo de control para asegurar la pasividad del sistema, y as__ la estabilidad. El método se basa en el simple hecho de que esta energía virtual debido al retardo debe transformarse en disipación. As__ el sistema se aproxima al sistema deseado, donde solo la energía insertada desde un extremo es transferida hacia el otro. El sistema resultante presenta dos cualidades: por un lado la estabilidad del sistema queda garantizada con independencia de la arquitectura del sistema y del canal de comunicación; por el otro, el rendimiento es maximizado en términos de fidelidad de transmisión energética. Los métodos propuestos se sustentan con sistemas experimentales con diferentes arquitecturas de control y retardos entre 2 y 900 ms. La tesis concluye con un experimento que incluye una comunicación espacial basada en el satélite geoestacionario ASTRA. ABSTRACT Telepresence combines different sensorial modalities, including vision and touch, to produce a feeling of being present in a remote location. The key element to successfully implement a telepresence system and thus to allow telemanipulation of a remote environment is force feedback. In a telemanipulation, mechanical energy must convey from the human operator to the manipulated object found in the remote environment. In general, energy is a property of all physical objects, fundamental to their mutual interactions in which the energy can be transferred among the objects and can change form but cannot be created or destroyed. In this thesis, we exploit this fundamental principle to derive a novel bilateral control mechanism that allows designing stable teleoperation systems with any conceivable communication architecture. The rationale starts from the fact that the mechanical energy injected by a human operator into the system must be conveyed to the remote environment and Vice Versa. As will be seen, setting energy as the control variable allows a more general treatment of the controlled system in contrast to the more conventional control of specific systems variables. Through the Time Delay Power Network (TDPN) concept, the issue of defining the energy flows involved in a teleoperation system is solved with independence of the communication architecture. In particular, communication time delays are found to be a source of virtual energy. This fact is observed with delays starting from 1 millisecond. Since this energy is added, the resulting teleoperation system can be non-passive and thus become unstable. The Time Delay Power Networks are found to be carriers of the desired exchanged energy but also generators of virtual energy due to the time delay. Once these networks are identified, the Time Domain Passivity Control approach for TDPNs is proposed as a control mechanism to ensure system passivity and therefore, system stability. The proposed method is based on the simple fact that this intrinsically added energy due to the communication must be transformed into dissipation. Then the system becomes closer to the ambitioned one, where only the energy injected from one end of the system is conveyed to the other one. The resulting system presents two benefits: On one hand, system stability is guaranteed through passivity independently from the chosen control architecture and communication channel; on the other, performance is maximized in terms of energy transfer faithfulness. The proposed methods are sustained with a set of experimental implementations using different control architectures and communication delays ranging from 2 to 900 milliseconds. An experiment that includes a communication Space link based on the geostationary satellite ASTRA concludes this thesis.

Real-time bilateral control of a nonlinear teleoperation system

In this work, we study the bilateral control of a nonlinear teleoperator system with constant delay, proposes a control strategy by state convergence, which directly connect the local and remote manipulator through feedback signals of position and speed. The control signal allows the remote manipulator follow the local manipulator through the state convergence even if it has a delay in the communication channel. The bilateral control of the teleoperator system considers the case when the human operator applies a constant force on the local manipulator and when the interaction of the remote manipulator with the environment is considered passive. The stability analysis is performed using functional of Lyapunov-Krasovskii, it showed that using a control algorithm by state convergence for the case with constant delay, the nonlinear local and remote teleoperation system is asymptotically stable, also speeds converge to zero and position tracking is achieved.

Control of a Nonlinear Teleoperation System by State Convergence

In this work, we proposes a control strategy that allows the remote manipulator follow the local manipulator through the state convergence even if it has a delay in the communication channel. The bilateral control of the teleoperator system considers the case were the human operator applies a constant force on the local manipulator and when the interaction of the remote manipulator with the environment is considered passive. The stability analysis was performed using Lyapunov- Krasovskii functional, it showed for the case with constant delay, that using a proposed control algorithm by state convergence resulted in asymptotically stable, local and remote the nonlinear teleoperation system.

Advances in Control of Teleoperation System by State Convergence

In this work, we proposes a control strategy by state convergence applied to bilateral control of a nonlinear teleoperator system with constant delay. The bilateral control of the teleoperator system considers the case when the human operator applies a constant force on the local manipulator and when the interaction of the remote manipulator with the environment is considered passive. The stability analysis is performed using Lyapunov-Krasovskii functional, it showed that using an control algorithm by state convergence for the case with constant delay, the nonlinear local and remote teleoperation system is asymptotically stable, also speeds converge to zero and position tracking is achieved. This work also presents the implementation of an experimental platform. The mechanical structure of the arm that is located in the remote side has been built and the electric servomechanism has been mounted to control their movement.

Control of a Teleoperation System by State Convergence with Variable Time Delay

In this paper, we propose a novel control scheme for bilateral teleoperation of n degree-of-freedom (DOF) nonlinear robotic systems with time-varying communication delay. We consider that the human operator contains a constant force on the local manipulator. The local and remote manipulators are coupled using state convergence control scheme. By choosing a Lyapunov-Krasovskii functional, we show that the local-remote teleoperation system is asymptotically stable. It is also shown that, in the case of reliable communication protocols, the proposed scheme guarantees that the remote manipulator tracks the delayed trajectory of the local manipulator. The time delay of communication channel is assumed to be unknown and randomly time varying, but the upper bounds of the delay interval and the derivative of the delay are assumed to be known.

Control de movimientos en presas de hormigón mediante DGPS. Comparación con otros métodos de auscultación e implicaciones para la seguridad. Estudio de caso en la presa de La Aceña (Ávila)

Las normativas que regulan la seguridad de las presas en España han recogido la necesidad de conocer los desplazamientos y deformaciones de sus estructuras y cimientos. A día de hoy, son muchas las presas en explotación que no cuentan con un sistema de auscultación adecuado para controlar este tipo de variables, ya que la instalación de métodos clásicos de precisión en las mismas podría no ser viable técnicamente y, de serlo, supondría un coste económico importante y una dudosa garantía del proceso de ejecución de la obra civil correspondiente. Con el desarrollo de las nuevas tecnologías, la informática y las telecomunicaciones, han surgido nuevos sistemas de auscultación de desplazamientos. Los sistemas GPS actuales, diseñados para el control de estructuras, guiado de maquinaria, navegación y topografía, estabilidad de taludes, subsidencias, etc. permiten alcanzar precisiones centimétricas. El sistema de control de movimientos basado en la tecnología DGPS (GPS diferencial) combinada con un filtro estadístico con el que se alcanzan sensibilidades de hasta ±1 mm en el sistema, suficientes para una auscultación normal de presas según los requerimientos de la normativa actual. Esta exactitud se adapta a los desplazamientos radiales de las presas, donde son muy comunes valores de amplitudes en coronación de hasta 15 mm en las de gravedad y de hasta 45 mm en el caso de las presas bóveda o arco. La presente investigación tiene por objetivo analizar la viabilidad del sistema DGPS en el control de movimientos de presas de hormigón comparando los diferentes sistemas de auscultación y su correlación con las variables físicas y las vinculadas al propio sistema GPS diferencial. Ante la necesidad de dar respuesta a estas preguntas y de validar e incorporar a la mencionada tecnología en la ingeniería civil en España, se ha llevado a cabo un estudio de caso en La Aceña (Ávila). Esta es una de las pocas presas españolas que se está controlando con dicha tecnología y de forma simultánea con los sistemas clásicos de auscultación y algunos otros de reciente aplicación La presente investigación se ha organizado con idea de dar respuesta a varias preguntas que el explotador de presas se plantea y que no se analizan en el estado del arte de la técnica: cómo hacer la configuración espacial del sistema y cuáles son los puntos necesarios que se deben controlar, qué sistemas de comunicaciones son los más fiables, cuáles son los costes asociados, calibración del software, vida útil y mantenimientos requeridos, así como la posibilidad de telecontrolar los datos. Entre las ventajas del sistema DGPS, podemos señalar su bajo coste de implantación y posibilidad de controlarlo de forma remota, así como la exactitud y carácter absoluto de los datos. Además, está especialmente indicado para presas aisladas o mal comunicadas y para aquellas otras en las que el explotador no tiene referencia alguna de la magnitud de los desplazamientos o deformaciones propias de la presa en toda su historia. Entre los inconvenientes de cualquier sistema apoyado en las nuevas tecnologías, destaca la importancia de las telecomunicaciones ya sea en el nivel local en la propia presao desde su ubicación hasta el centro de control de la explotación. Con la experiencia alcanzada en la gestión de la seguridad de presas y sobre la base de la reciente implantación de los nuevos métodos de auscultación descritos, se ha podido analizar cada una de sus ventajas e inconvenientes. En el capítulo 5, se presenta una tabla de decisión para el explotador que servirá como punto de partida para futuras inversiones. El impacto de esta investigación se ha visto reflejado en la publicación de varios artículos en revistas indexadas y en el debate suscitado entre gestores y profesionales del sector en los congresos nacionales e internacionales en los que se han presentado resultados preliminares. All regulations on the safety of dams in Spain have collected the need to know the displacements and deformations of the structure and its foundation. Today there are many dams holding not have an adequate system of auscultation to control variables such as the installation of classical methods of precision in the same might not be technically feasible, and if so, would cost important economic and guarantee the implementation process of the dubious civil works. With the development of new technologies, computing and telecommunications, new displacements auscultation systems have emerged. Current GPS systems designed to control structures, machine guidance, navigation and topography, slope stability, subsidence, etc, allow to reach centimeter-level accuracies. The motion control system based on DGPS technology applies a statistical filter that sensitivities are achieved in the system to ± 1 mm, sufficient for normal auscultation of dams as required by current regulations. This accuracy is adapted to the radial displacement of dams, which are common values in coronation amplitudes up to 15 mm in gravity dams and up to 45 mm in arch or arc dams. This research aims to analyze the feasibility of DGPS system in controlling movements of concrete dams, comparing the different systems auscultation and its correlation with physical variables and linked to differential GPS system itself. Given the need to answer this question and to validate and incorporate this technology to civil engineering in Spain, has conducted a case study in real time at the dam La Aceña (Ávila). This dam is one of the few Spanish companies, which are controlling with this technology and simultaneously with the classic auscultation systems and some other recent application. This research has been organized with a view to responding to questions that the dam operator arises and in the state of the art technique not discussed: how to make spatial configuration of the system and what are the necessary control points what communication systems are the most reliable, what are the associated costs, calibration software, service life and maintenance requirements, possibility of monitoring, etc. Among the advantages we can point to its low cost of implementation, the possibility of remote, high accuracy and absolute nature of the data. It could also be suitable for those isolated or poorly communicated dams and those in which the operator has no reference to the magnitude of displacements or deformations own prey in its history. The disadvantages of any system based on the new technologies we highlight the importance of telecommunications, either locally or from this dam control center of the farm. With the experience gained in the management of dam safety and based on the recent introduction of new methods of auscultation described, it has been possible to analyze each of their advantages and disadvantages. A decision table for the operator, which will serve as a starting point for future investments is presented. The impact of research, has been reflected in the publication of several articles in refereed journals and discussion among managers and professionals in national and international conferences in which they participated.

A sensorless virtual slave control scheme for kinematically dissimilar master-slave teleoperation

The use of telerobotic systems is essential for remote handling (RH) operations in radioactive areas of scientific facilities that generate high doses of radiation. Recent developments in remote handling technology has seen a great deal of effort being directed towards the design of modular remote handling control rooms equipped with a standard master arm which will be used to separately control a range of different slave devices. This application thus requires a kinematically dissimilar master-slave control scheme. In order to avoid drag and other effects such as friction or other non-linear and unmodelled slave arm effects of the common position-position architecture in nonbackdrivable slaves, this research has implemented a force-position control scheme. End-effector force is derived from motor torque values which, to avoid the use of radiation intolerant and costly sensing devices, are inferred from motor current measurement. This has been demonstrated on a 1-DOF test-rig with a permanent magnet synchronous motor teleoperated by a Sensable Phantom Omni® haptic master. This has been shown to allow accurate control while realistically conveying dynamic force information back to the operator.

Proprioceptive force estimation and control for teleoperation in radioactive environments

A medida que se incrementa la energía de los aceleradores de partículas o iones pesados como el CERN o GSI, de los reactores de fusión como JET o ITER, u otros experimentos científicos, se va haciendo cada vez más imprescindible el uso de técnicas de manipulación remota para la interacción con el entorno sujeto a la radiación. Hasta ahora la tasa de dosis radioactiva en el CERN podía tomar valores cercanos a algunos mSv para tiempos de enfriamiento de horas, que permitían la intervención humana para tareas de mantenimiento. Durante los primeros ensayos con plasma en JET, se alcanzaban valores cercanos a los 200 μSv después de un tiempo de enfriamiento de 4 meses y ya se hacía extensivo el uso de técnicas de manipulación remota. Hay una clara tendencia al incremento de los niveles de radioactividad en el futuro en este tipo de instalaciones. Un claro ejemplo es ITER, donde se esperan valores de 450 Sv/h en el centro del toroide a los 11 días de enfriamiento o los nuevos niveles energéticos del CERN que harán necesario una apuesta por niveles de mantenimiento remotos. En estas circunstancias se enmarca esta tesis, que estudia un sistema de control bilateral basado en fuerza-posición, tratando de evitar el uso de sensores de fuerza/par, cuyo contenido electrónico los hace especialmente sensitivos en estos ambientes. El contenido de este trabajo se centra en la teleoperación de robots industriales, que debido a su reconocida solvencia y facilidad para ser adaptados a estos entornos, unido al bajo coste y alta disponibilidad, les convierte en una alternativa interesante para tareas de manipulación remota frente a costosas soluciones a medida. En primer lugar se considera el problema cinemático de teleoperación maestro-esclavo de cinemática disimilar y se desarrolla un método general para la solución del problema en el que se incluye el uso de fuerzas asistivas para guiar al operador. A continuación se explican con detalle los experimentos realizados con un robot ABB y que muestran las dificultades encontradas y recomendaciones para solventarlas. Se concluye el estudio cinemático con un método para el encaje de espacios de trabajo entre maestro y esclavo disimilares. Posteriormente se mira hacia la dinámica, estudiándose el modelado de robots con vistas a obtener un método que permita estimar las fuerzas externas que actúan sobre los mismos. Durante la caracterización del modelo dinámico, se realizan varios ensayos para tratar de encontrar un compromiso entre complejidad de cálculo y error de estimación. También se dan las claves para modelar y caracterizar robots con estructura en forma de paralelogramo y se presenta la arquitectura de control deseada. Una vez obtenido el modelo completo del esclavo, se investigan diferentes alternativas que permitan una estimación de fuerzas externas en tiempo real, minimizando las derivadas de la posición para minimizar el ruido. Se comienza utilizando observadores clásicos del estado para ir evolucionando hasta llegar al desarrollo de un observador de tipo Luenberger-Sliding cuya implementación es relativamente sencilla y sus resultados contundentes. También se analiza el uso del observador propuesto durante un control bilateral simulado en el que se compara la realimentación de fuerzas obtenida con las técnicas clásicas basadas en error de posición frente a un control basado en fuerza-posición donde la fuerza es estimada y no medida. Se comprueba como la solución propuesta da resultados comparables con las arquitecturas clásicas y sin embargo introduce una alternativa para la teleoperación de robots industriales cuya teleoperación en entornos radioactivos sería imposible de otra manera. Finalmente se analizan los problemas derivados de la aplicación práctica de la teleoperación en los escenarios mencionados anteriormente. Debido a las condiciones prohibitivas para todo equipo electrónico, los sistemas de control se deben colocar a gran distancia de los manipuladores, dando lugar a longitudes de cable de centenares de metros. En estas condiciones se crean sobretensiones en controladores basados en PWM que pueden ser destructivas para el sistema formado por control, cableado y actuador, y por tanto, han de ser eliminadas. En este trabajo se propone una solución basada en un filtro LC comercial y se prueba de forma extensiva que su inclusión no produce efectos negativos sobre el control del actuador. ABSTRACT As the energy on the particle accelerators or heavy ion accelerators such as CERN or GSI, fusion reactors such as JET or ITER, or other scientific experiments is increased, it is becoming increasingly necessary to use remote handling techniques to interact with the remote and radioactive environment. So far, the dose rate at CERN could present values near several mSv for cooling times on the range of hours, which allowed human intervention for maintenance tasks. At JET, they measured values close to 200 μSv after a cooling time of 4 months and since then, the remote handling techniques became usual. There is a clear tendency to increase the radiation levels in the future. A clear example is ITER, where values of 450 Sv/h are expected in the centre of the torus after 11 days of cooling. Also, the new energetic levels of CERN are expected to lead to a more advanced remote handling means. In these circumstances this thesis is framed, studying a bilateral control system based on force-position, trying to avoid the use of force/torque sensors, whose electronic content makes them very sensitive in these environments. The contents of this work are focused on teleoperating industrial robots, which due its well-known reliability, easiness to be adapted to these environments, cost-effectiveness and high availability, are considered as an interesting alternative to expensive custom-made solutions for remote handling tasks. Firstly, the kinematic problem of teloperating master and slave with dissimilar kinematics is analysed and a new general approach for solving this issue is presented. The solution includes using assistive forces in order to guide the human operator. Coming up next, I explain with detail the experiments accomplished with an ABB robot that show the difficulties encountered and the proposed solutions. This section is concluded with a method to match the master’s and slave’s workspaces when they present dissimilar kinematics. Later on, the research studies the dynamics, with special focus on robot modelling with the purpose of obtaining a method that allows to estimate external forces acting on them. During the characterisation of the model’s parameters, a set of tests are performed in order to get to a compromise between computational complexity and estimation error. Key points for modelling and characterising robots with a parallelogram structure are also given, and the desired control architecture is presented. Once a complete model of the slave is obtained, different alternatives for external force estimation are review to be able to predict forces in real time, minimizing the position differentiation to minimize the estimation noise. The research starts by implementing classic state observers and then it evolves towards the use of Luenberger- Sliding observers whose implementation is relatively easy and the results are convincing. I also analyse the use of proposed observer during a simulated bilateral control on which the force feedback obtained with the classic techniques based on the position error is compared versus a control architecture based on force-position, where the force is estimated instead of measured. I t is checked how the proposed solution gives results comparable with the classical techniques and however introduces an alternative method for teleoperating industrial robots whose teleoperation in radioactive environments would have been impossible in a different way. Finally, the problems originated by the practical application of teleoperation in the before mentioned scenarios are analysed. Due the prohibitive conditions for every electronic equipment, the control systems should be placed far from the manipulators. This provokes that the power cables that fed the slaves devices can present lengths of hundreds of meters. In these circumstances, overvoltage waves are developed when implementing drives based on PWM technique. The occurrence of overvoltage is very dangerous for the system composed by drive, wiring and actuator, and has to be eliminated. During this work, a solution based on commercial LC filters is proposed and it is extensively proved that its inclusion does not introduce adverse effects into the actuator’s control.

Diseño e implementación de librería funcional para lectura y control remoto de contadores eléctricos de última generación

El siguiente trabajo explora en primer lugar el protocolo de transmisión de datos IEC 870-5-102,el cual está definido como un estándar internacional para la transmisión de totales integrados, más tarde analizaremos su aplicación en un sistema de lectura de contadores eléctricos en remoto. Este protocolo de transmisión de datos para tele-lectura nos ayuda a solventar el problema en la construcción de un sistema de lectura para contadores eléctricos. ABSTRACT This paper explored the IEC 870-5-102 transmission protocol firstly, which is the international standard for the transmission of integrated totals, and then analyze its insufficiencies in the application of electric remote-metering system. The data transmission protocol of energy remote-metering system solves the problems in the construction of an implementation for metering the information inside meters.