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Estudio e implementación de sensores de fuerza 3D con aplicación a manos robóticas

De
113 pages

El presente trabajo se enmarca dentro del contexto del proyecto europeo HANDLE. Dicho proyecto se está llevando a cabo por un consorcio de nueve socios de diferentes países europeos, entre los cuales se encuentra la Universidad Carlos III de Madrid. El objetivo principal es comprender como los humanos llevamos a cabo la manipulación de los objetos, con el objetivo de replicar tanto el agarre como la destreza de los movimientos en una mano arti cial antropomór ca y a partir de ahí, mover los dedos de tal manera que se consiga una mano más autónoma y efectiva en los procesos de manipulación de objetos. Para lograr este objetivo se requiere entre muchos factores la capacidad de percepción táctil. En la actualidad existen algunos dispositivos comerciales que cumplen dicha función. Sin embargo, dichos sistemas solo miden fuerzas normales, lo que limita en gran medida la aplicación de las estrategias de control para conseguir tareas de manipulación diestra de objetos con una sola mano. La necesidad de medir no solo fuerzas normales, sino también fuerzas de fricción han llevado a algunos grupos de investigación del proyecto HANDLE a estudiar y tratar de desarrollar prototipos de piel arti cial con electrodos 3D. Entre dichos grupos se encuentra el RoboticsLab de la UC3M. Con el objetivo de desarrollar piel arti cial con capacidad de medición de fuerzas 3D, el presente proyecto se encargará de analizar las diferentes tecnologías actuales que puedan ser utilizadas para dicho n. Asímismo se seleccionará la más apropiada de acuerdo a diversos criterios relacionados con el costo, escalabilidad, precisión y simplicidad de fabricación. Una vez seleccionada la tecnología base se desarrollar á un modelo teórico de un elemento sensor y se validará mediante la implementación de un prototipo con una escala su cientemente grande que facilite dicho proceso. Por ultimo se realizará un análisis crítico del prototipo que permita identi car los puntos débiles y los fuertes para el diseño de sucesivas versiones, estableciéndose unas guias para su futura interacción en una matriz de elementos sensores que pueda integrarse en forma de piel arti cial.
Ingeniería Industrial
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Universidad Carlos III de Madrid
Escuela Politécnica Superior
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática



PROYECTO FIN DE CARRERA
INGENIERÍA INDUSTRIAL


ESTUDIO E IMPLEMENTACIÓN DE
SENSORES DE FUERZA 3D CON
APLICACIÓN A MANOS ROBÓTICAS

AUTOR: ANDRÉS ALÍA MARTÍN




Tutor: Mohamed Abderrahim Fichouche
Tutor: Javier González-Quijano Álvarez





Octubre 2010 f (x;y;z;)
aci?nyorigen...del.pro.y.ecto3.3.2....d...........ns.....erce...te?ricos.las.....F?rm...............ci?n.....de.da......8rza1.2..Obgeneraljetiv.os.del.pro.y.ecto..........eje...sensores.....os.........16.........erce.da...d.miniaturizaci?n.necesarias...........sensores.....26.ducci?n......9.1.3..Rob.ots.manipuladores..................Sensor.........fuerzas.......taci?n...........2.1.1..s.s.................P.distribuida.....9.1.3.1..Descrip.ci?n....2.1.2.1..ci?n.st.utilizar...2.1.2.2..ci?n.st.t?cnicas...2.2......................2.3..manipulaci?n.fu...........Obtenci?n.en.In..............9.1.3.2..Clasicaci?n3.2.seg?n.a.p.l.icaciones..............29.simpli...................33.fuerzas.................c.en9.1.3.3..Descrip.ci?n.de.tareas.de36manipulaci?ndediestrat?ctiles...................16.Tip.de.e.ore.t?ctiles............10.1.4..Dise?o.de.p.i.eles.artici.ales....2.1.2..ercep.t?ctil...............................20.P.p.t?ctil.i.ribui.sin.t?cnicas.miniaturizaci?n...22.P.p.t?ctil.i.ribui11utilizando1.4.1.deIn.tr.o22ducci?nMejoras.........................................23.Estudios.de.con.de.e.....................3.Motivde1.1.capacitancias288Condicionestro.1...?ndice.113.1.1.4.2.inicialesDeniciones.y.Clasica.ci?n................................28.Premisas............................13.1.4.3..Sen.tido.del.tacto.como.base.para.la3.3.tecnolog?aulast?ctil.cadas..................................13.1.4.4..L?neas3.3.1.asinseguiraplicadaspara.dise?ar.un.sistema.t?ctil.para.rob.ots.................35.Sensor.on.aplicadas.el.Z..14.2..Estado.del.arte.16.2.1..T.ecnolog?as.para.la.implemen1?NDICEGENERAL23.3.3.arquitectura64.Sensor4.4.c.on.fuerzas.aplicadas.enComparaci?nelueje4.3.2.5.Xejemploso.en.el.eje5.2.YResultados.........................y........36.3.3.4..Sensor.c4.3.2.3.on.fuerzaserceaplicadas.en.elk-propagationeje53X,.eje.Y.y.eje.Zen...................do.....fuerzas...mo..37real4..Plataformate?ricoexp.erimenpartirtal.de.calibraci?n.39.4.1.deHardwsare..............de.....cruzada.......55.to.....del.....de.......4.3.3.1..........pr?ctico.........exp.........Pruebas.Descrip........39.4.1.1.aSensor.de.medici?.ndoscapacitiv.o.MPR121..te.......de.......de...................op.redes.es......39.4.1.2.4.3.2.4.Sensor?JR3.67M25A................al.je.........V.................N?mero.en...........4.3.2.8..de.la......414.3.3.4.1.2.1.datosDescripenci?n.general.del.sensor......te?rico.................4.3.3.2....................cedimien.tal..41.4.1.2.2..Instalaci?n.y.mon.ta.je.del59sensorv.63.del...................6.de.de.............Resultados.te.te?rico42.4.1.2.3..In.terfaz.electr?nic64odos.mo...........65.tre.real.............5.3..fuerzas.las........................43.4.1.2.4..Matriz.d.e50calibracTi?nolog?a.las.ne.ronal.articiale.................51.P.ptr.n..........................44.4.1.3..Rob.ot.P52A-10El.goritmo.aprendiza.bac.................4.3.2.6..alidaci?n.................................4.3.2.7..de.de.trenamien............45.4.2..Pro.cedimien.to56paraReducci?nrealizartama?olaslamedidadesred.............56.Obtenci?n.los.de.trenami.to.......................57.Datos.s....47.4.3..M?to.do.de.calibraci?n..................57.Datos.s.................................58.Pro.to.erimen..............47.4.3.1..In.tro.ducci?n..............5..de.alidaci?n.resultados.5.1..ci?n.m?to.......................................3.Obtenci?n.capacitancias.partir.las....47.4.3.2..Regresi?n.median.te.redes.neuronales........5.2.1..obteni.median.el.delo.....................5.2.2..obteni.median.el.delo......48.4.3.2.1..Redes.neuronale.s.biol?gica.s....5.2.3..en.mo.lo.y.........................66.Obtenci?n.las.a.de.capacitancias....49.4.3.2.2..Redes.neuronale.s.articiales......67?NDICEGENERAL35.3.1....Resultados.obteni.dos.median.te.el.mo.delo.te?rico..70...........T...........68.Conclusiones..........67.5.3.2..Resultados.obteni.dos.median70tejosel.mo.delo.real................6..6.1.........................68.5.3.3..Comparaci?n.en.tre.mo.de.lo.real.y.te?rico6.2..raba.futuros.........................................71?ndicedecuadros1.1....Diferen.tes.mecano.rec.eptores4.3.de.los.hsumanos..................44...................de............14.2.1..Arra.ys.deuesensores.t?ctiles.para.partes.como.los.dedos.con.alta.densidad.de.receptores.....21.2.2..Arra.ys43deAsignaci?nsensorespinst?ctiles.para.partes.como.las.palmas.con.ba.ja.densidad.de.receptores...21.4.2..V.alor.admisible.de.los.torq4d
d
guras2.1.Sensort?ctil...r.e.s.i.st.i.vuestreooOrien...vimien.......mon...40.4...............4.10......je.para...o.......en.............4.6......del....17ot2.2..Principiocalibraci?nde.funcionamien.to.QTC........50...4.13....59.36.calibraci?n.....F.........M.frec.....MPR121...........ejes........17de2.3..Sensor.t?ctil.capacitiv.oGrados.........4.plano.......4.9............neurona.........Mo...........del.de.....datos.d=4.........Esquema.je18sensor2.4..Sensor.t?ctil.con.tecnolog39?adel?ptica................Consumo.12.de.de.........4.4......................41.de.sensor....19.2.5..Sensor.Piezo.el?ctrico....del.Pines.................43.lib.A10-7C.................4.8..en.del.A10.............do............20.2.6..Diagrama.de.blodeques.del.sistema.de.p.ercep.ci?n.t?ctil....49.de.....................Ev.de.el.i?n........24dquisici?n2.7.?liRespuestacalibraci?ndel.sensor.an.te.diferen.tes.ob.jetos....4.1..de.ta.para.del.capacitiv...................4.2..otograf?a.KITMPR121EVM..............27.2.8..Hardw.are.de.l.sensor......4.3..del.PR.1.funci?n.la.uencia.m.................1.Puertos......................................27.3.1..Ejes4.5.detaci?ncolosordenadasdely.dimensiones.del.elemen.to.sensor......................42.Cable.sensor.6............29.3.2..Ejemplo.de.un.torsor.aplicado.en.el.electro.do.sup.erior4.7..de.ertad.P..................................2963.3.MoInuenciatosenelx'XYderobdeP..x........................47.M?to.de.......................................48.Morfolog?a.la......30.3.4..Inuencia.en.x'.de.?ndice.y..................4.11..delo.neurona.........................................4.12..oluci?n.error.aprendiza.y.error.generalizac..30.3.5..Inuencia.de.la.fuerza.en.X55yAendeYvsobredoslaslacapacitanciascon.....................5?NDICEDEFI.de.GURAS.6.4.14..A.dquisici?n.de5.5.datosComparativv5.7.?lipr?cticodosdepara.la.calibraci?nconcon.d=1a.......de...ias.5.9....alores...v.....jun.para...datos.red..59.4.15.te?ricasDiagrama.de.ujo.deenla.informaci?n..67.funci?n.....en.para...Diferencia.para.....5.11..pr?cticos.......5.4..datos.a.red.mm.....con.jun.de........59664.16.capacitanciEjemplopr?cticastra.y.ectoria.P.A10....to.en.capacitanc.........Desplazamien.2D.las.F.......to.en.capacitanc.y.....68.tre.y.............en.te?ricos.F......60.4.17..Presen.taci?n64deGr?caelectrolosdoste?ricosinferiorestoenlosKiCadla.neuronal.Z=1.........65.Gr?ca.los.pr?cticos.to.los.la.neuronal.................5.6..a61as5.1.yObtenci?n.de.las.fuerzas.en.funci?n.de.la.s.capacitancia.s....66.Desplazamien.te?rico.2D.funci?n.las.ias.................5.8..to.en64en5.2.deObtenci?ncapacitancdeparalasycapacitanc.ias.en.funci?n.de.las68fuerzaDesplazamienspr?ctico.2D.funci?n.las.ias.F.............5.10..en.v.te?ricos.pr?cticos.Fx....64.5.3..Gr?ca.con.los.datos.te?ricos.jun.to69aDiferencialostredealoreslayredparaneuronalypara.Z=0..................69AgradecimientosQuierosresidenciadeexpresarCarlosmienm?srsincerodemasiadoagradecimientardestoduranahostono,dasernoslasDapEzequiel,ersonasclasesquetarsercitanlaaicondetinruaci?n:er,Aosmicompa?erostutoresIvdeprimerosproinyEnekectooMohamedconAbvderrahimas?ycompa?erasJamienvierdasQuijano-Gonz?lez,lasporortrconartomarenlasm?comoarladashoraparadeueofrecermeesesteenproyymisectoerto;depnquedealcarreraMax,y,p?lvororhab?permetariaJorgeyudadotrabaaMadridlovlargolosdeAtoedo?ltimoseprostcasiepr?cticastiempas?oded?ndomebiblioteca,consejocanydeapsobicicletayaireo.pAumerablesmiquepadre,paramiparamadre,cPpartablopeexcusaIreneupahoraororhaboraleserosibleestadoajunAtocolegioaenmiecialtodedosyestbi?noElsesosa?osdetannodurosductivapenosotamos.yerto?n-Vicendomeran,enEdulosetc..maloerezshorasmomenytoscayvalegr?ndosecoconmido.goorlosdespu?sbuenos.queAenmisint?os,nensitiosesptoecialcompartidosaoFcompa?erosernandoInecoyhanAranestostzadeprealizabaorecto.sutegrantoaplasodeycarreraocomoduranhorasteestudiotoladospestoslaa?os,tsobredadtokil?medooenheclosenprparaielmerosdespu?sdeestudiar,adaptaci?norainnlahorasvidasidrer?amadrile?a.us?bamosAexcusamisreuniabuelos,nosphablaeroyenomoesplasecialiadeAitite,okunalade2.0misreinspiracionesnianoslaqhorapdemotivelegirlabestanocarrerapyvptanorquems?udo.quemisledehabr?amahecor,hoempucahacompa?erosilusi?nhabitaci?nelanvAlbermetamllegarahastavidaqu?.GallegoToramdosbiena?osaestudio,Abueloaunquepfueronorquepros?os,quemseloalegratenmAucAlbhoAmarilla,pBorja,ortetoFdosMiguel?n,loso,logros,dearo,susAnietos.PApmislascompa?erosdedeciounivlaersidad,osobreimpartiendotocomodoolunaosJadoviercoCampa?a,ASebasti?npBarrag?n,esas?lvdearodeBermejojaryinJaertimosvierpatearnosMorenoparaptenordescubriresasueconosv,ersacionecomosdosena?oslosdemalosymomencio.tosmisacad?myicosdeyqupmeersonales,alegpadoor10habmesesercarreraconseguidotrasaguaneltaryconmigo7Cap?tulo1Inbasetamdetrofuertesducci?npiel1.1.n.Motivnaci?ndeyestigaciorigenRobdelnproelyvectoan?lisisElinpresennecesidadteadotrabaestudiarjodicsejetivenmarcproaquedendetroUnadel?ricoconuntextoceso.delidenprovytosectounaeuropsoloeofricci?nHANDLE.osDicyhodesarrollarprodosyseectoUC3M.sepielest?3D,llevseandodiferenazadascabeccionar?oersospyoronadaununconsorciotodelanunauevfaciliteesesoociostosdedise?odiferenguiastesmatrizpa?sesineuropjetoseos,mano.enmedirtrenormales,losfuerzasclleualesalgunosseinencuendeltraHANDLElatratarUnivosersidadconCarlosEnIgrupItraIdedeelMadrid.deElconobdejetivpresenoecprincipaldeeslizarcomprendertecnolog?ascomoserlosdichseumm?sanosallevrelacionadosamosescalabilidad,adecabezotecnolog?ladesarrol-manipulaci?ndelodeunlosyobmedianjetos,taci?nconoelsucienobgrandejetivhooordelizar?replicardeltanptoloselyagarreecomosucesivlestableci?ndoseasudestrezaendeelelosquemoenvimienarticial.tosconensolaunaLamdeanonoarticialfuerzasansinotropbi?nom?rcadeyhanavpartiradegrupah?,demovv?nerprolectoosadedosydedetalprototipmaneradequearticialseelectroc3D.onstreihosgaosunaencuenmanoelm?soticsLabaut?nomalayConefectivobaoendesarrollarlosarticialprocapacidadcesosmedici?ndefuerzasmanipulaci?neldeteobyjetos.toPencargar?araalograraestelasobtesjetivactualesopuedanseutilirequiereparaenhotreAs?mismomseluclahosapropiadafactoresacuerdoladivccriteriosapacidadcondecosto,pprecisi?nercepsimplicidadcifabricaci?n.?nvt?ctil.selecciEnlalaaactualidadseexistenlar?algunosmodispteositivdeoselemencomercialesensorssequealidar?cumplentedicimplemenhadefunci?n.prototipSinconemescalabargo,temedictehosquesistemasdicsolopromidenPfultimouerearunzcr?ticoasprototipnormales,queloermitaqueticarlpunimitad?bilesenlosgranparamedidalladeaplicaci?nasdeersiones,lasunasestrategiasparadefuturaconteracci?ntrolunaparadeconseguirmentareassensoresdepuedamanipulaci?ntegrarsediestraformadepielob8CAP?TULO1.INTRODUCCI?Nqueenseg?n9soldadura,1.2.gradoObdosjetivueossensordelprism?ticasprollamypectolaElorproufacturadoyacercaecto1.3.1.seeslabdividearticenmanipuladoresvoariosdosobdejetiveosdequeuaci?nest?nirelacionadoslaenhabitualestreamplio,si:maneraEstudio1.3.delrobestadocuerpdeldianarteoluci?n,de-losLtipeleosadejetos.sensoresotsquelosseypuedenterallevgarte,ainnidadutilizarloparauestraelrdesarrolloIndustrialdesonpitareaselesbienesarticiales,industrias,haciendolosunyan?lisisprototipsobrelasusdesarrollarprosfuerzasyotssusci?nconmanipuladortrasserieutilizr?gidosandoconectadosdiferenarticulatesdecriterios,cadacomolsontolalibfrecuenciarobdeoseenmtouestreoefector,deesloslosdatos,Clasicactama?oLosdeclasicarselostipelemenotstosadoressensores,robfaciLalidadtredeosfabricaci?n,sepNoosibilidadestode?ticaescalabilidadtipparapllegarto,aecubrircontosdoclasicaci?nunRobprototiprobo,dustrialecostes,otsetc..empleanDesarrollocte?ricoducci?ndeorigenunfabricaselelosctroordopincapazeccideblamedirincluidosfuerzasos,3Ddequemejorpuedadeescalunarsdee3D.,RobomanipuladoresloDescripqueUnesotloconsistemismo,unaaumendetaroselllamadosnones,?merome-deteelemencionestososensores,revdesiendomaneraparqueuseaaci?nfactibleelemeninuntegrarlodeeertad.nosunaotsmatrizpdeunelemenmentosnalsensoresadodecuyaltamisi?nresoluci?n.agarrarAn?lisismanipularyobv1.3.2.alidaci?ni?naplicacionesdelrobprototippuedenoendesarrolladograndesmedianos,terobelmaniestudiouldeindustrialesloslosdatosotsobtenidosservicio.tfronaennlostotipdeamaneraeceste?ricavuelvcomocomplicada.pr?ctica.obstanAn?lisisencr?tico,depropuestarobdeexistenmejorasdeparaoselclasicaciones,desarrolloordetanfuturoslaprototipsosmyaestablecimietinnpretendetoedeunaunaphoaplicaciones.jaotdeLosrutaotsanseguirspararobelqdise?osedeparapielesvinculadasarticialesonusandoproestadetedecnolog?a.manConentoodossiendoestosmasobpjetivejemploospaletizado,setado,pretendeinsphaceronesunensamestudioje.

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