ES2416931B2 - GUIDED METHOD OF TELEOPERATED ROBOTIC DEVICES TO ALTERNATE CONTROL MODE IN POSITION AND SPEED CONTROL MODE - Google Patents
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Abstract
Método de guiado de dispositivos robóticos teleoperados para alternar modo de control en posición y modo de control en velocidad, que comprende la adaptación del dispositivo maestro (1) dividiendo su zona de trabajo (6) en región interna (7) donde se implementa el modo de control en posición del robot esclavo (3), y región externa (8) donde se implementa el modo de control en velocidad; utilización de una red de comunicaciones (4) para transmitir órdenes de movimiento y fuerzas ejercidas por ambos dispositivos; adaptación del dispositivo maestro (1) para que produzca efectos de vibración en las transiciones entre región interna (7) y externa (8), indicando el cambio de un modo de control a otro el cambio de un modo de control a otro se produce de forma que se garantiza el funcionamiento estable de los dispositivos y la máxima telepropriocepción para el operador.Method of guiding teleoperated robotic devices to alternate control mode in position and control mode in speed, which includes the adaptation of the master device (1) by dividing its work area (6) into an internal region (7) where the mode is implemented control position of the slave robot (3), and external region (8) where the speed control mode is implemented; use of a communications network (4) to transmit movement orders and forces exerted by both devices; adaptation of the master device (1) to produce vibration effects in the transitions between internal (7) and external region (8), indicating the change from one control mode to another the change from one control mode to another occurs from This ensures the stable operation of the devices and the maximum teleproprioception for the operator.
Description
Método de guiado de dispositivos robóticos teleoperados para alternar modo de control en posición y modo de control en velocidad. Guidance method for teleoperated robotic devices to toggle control mode in position and control mode in speed.
La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un método de guiado de dispositivos robóticos teleoperados para alternar modo de control en posición y modo de control en velocidad, aportando a la función a que se destina varias ventajas y características de novedad, que se describirán en detalle más adelante y que suponen una notable mejora frente a los sistemas actualmente conocidos en el estado de la técnica para el mismo fin. The invention, as stated in the present specification, refers to a method of guiding teleoperated robotic devices to alternate control mode in position and control mode in speed, contributing to the function to which several advantages and characteristics of novelty, which will be described in detail below and which represent a notable improvement over systems currently known in the state of the art for the same purpose.
Más en particular, la invención se centra en el desarrollo de un innovador método de guiado con reflexión de fuerzas ,siendo aplicable a operaciones de manipulación remota en las que participan, al menos, un robot que realiza la operación en un entorno remoto, denominado esclavo, y un dispositivo de guiado del robot que manipula un operario, denominado maestro, y cuyos movimientos se utilizan para guiar los movimientos del esclavo, permitiendo utilizar alternativamente, modos de control en posición y modos de control en velocidad de dicho esclavo con respecto al maestro. El cambio de un modo de control a otro se ha definido con el objeto de evitar las inestabilidades en la transición entre ambos modos de control, basándose para ello en la adaptación del dispositivo maestro para que opere en dos regiones diferenciadas, una para cada modo, y proporcionando información háptica al operador al pasar de una región a otra. More in particular, the invention focuses on the development of an innovative guiding method with force reflection, being applicable to remote manipulation operations in which at least one robot that performs the operation in a remote environment, called a slave, participates , and a robot guidance device that manipulates an operator, called a master, and whose movements are used to guide the movements of the slave, allowing alternately use, control modes in position and modes of speed control of said slave with respect to the master . The change from one control mode to another has been defined in order to avoid instabilities in the transition between the two control modes, based on the adaptation of the master device to operate in two different regions, one for each mode, and providing haptic information to the operator when moving from one region to another.
El dispositivo maestro, además, refleja fuerzas al operador, lo que le permite realizar las tareas de manipulación con destreza y los cambios en el modo de control de forma eficiente. The master device also reflects forces on the operator, which allows him to perform manipulation tasks with skill and changes in the control mode efficiently.
El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector técnico de la robótica y el control remoto de dispositivos, abarcando actividades como la teleoperación o la telerrobótica, aplicaciones en las que una persona utiliza un dispositivo, conocido como maestro, que le permite guiar el movimiento de otro dispositivo remoto, conocido como esclavo. The field of application of the present invention is part of the technical sector of robotics and remote control of devices, including activities such as teleoperation or telerobotic, applications in which a person uses a device, known as a teacher, which allows guide the movement of another remote device, known as a slave.
En la actualidad, casi la totalidad de los robots o sistemas semejantes guiados remotamente, utilizan un único modo de control, que suele ser o control en posición o control en velocidad. Cuando el operador utiliza un dispositivo maestro con dimensiones semejantes a las del esclavo, suele utilizarse el control en posición. Por el contrario, cuando el operador utiliza un dispositivo dimensional o dinámicamente muy diferente al controlado remotamente, se suele utilizar el control en velocidad. Currently, almost all of the robots or similar systems guided remotely use a single mode of control, which is usually either position control or speed control. When the operator uses a master device with dimensions similar to those of the slave, the position control is usually used. On the contrary, when the operator uses a dimensionally or dynamically different device than the remotely controlled one, the speed control is usually used.
Un ejemplo habitual de control en velocidad es el guiado de una grúa. La grúa representa al dispositivo esclavo, que es controlado por el operador mediante unas palancas, que actúan como dispositivo maestro. La activación de estas palancas son las que determinan la velocidad y sentido de giro de los diferentes grados de libertad de la grúa. Cuando las palancas se activan, entonces la grúa se mueve; es decir, si las palancas no se encuentran en su punto de reposo, se generan órdenes de movimiento para la grúa. Este tipo de guiado se denomina control en velocidad. A common example of speed control is the guidance of a crane. The crane represents the slave device, which is controlled by the operator by means of levers, which act as the master device. The activation of these levers are what determine the speed and direction of rotation of the different degrees of freedom of the crane. When the levers are activated, then the crane moves; that is, if the levers are not at their resting point, movement orders are generated for the crane. This type of guidance is called speed control.
Otros dispositivos tales como los ‘joysticks’ también son utilizados como dispositivo maestro. Los ‘joysticks’ son habitualmente usados como periféricos de ordenador para que el usuario interaccione con diferentes tipos de aplicaciones y juegos de ordenador. Habitualmente, el ‘joystick’ sirve para indicar la dirección de movimiento y/o velocidad que desea el usuario para el elemento que controla en la aplicación. Other devices such as ‘joysticks’ are also used as a master device. ‘Joysticks’ are commonly used as computer peripherals for the user to interact with different types of applications and computer games. Usually, the ‘joystick’ is used to indicate the direction of movement and / or speed that the user wants for the element that he controls in the application.
Por su parte, el guiado en posición es característico de las aplicaciones de robótica en las que se desea que el robot controlado a distancia (esclavo), reproduzca fielmente los movimientos que realiza el operador mediante el uso de un dispositivo (maestro). Este tipo de guiado requiere que maestro y esclavo tengan cierta relación cinemática, o al menos un campo de trabajo similar. Este es el caso de la mayor parte de los telerrobots utilizados en la industria; como son el Grips de Kraft Telerobotics, Mascot IV de Oxford Technologies LTD., o los telemanipuladores Titan de Schilling Robotics. For its part, position guidance is characteristic of robotics applications in which it is desired that the remote controlled robot (slave) faithfully reproduce the movements performed by the operator through the use of a device (master). This type of guidance requires that master and slave have a certain kinematic relationship, or at least a similar field of work. This is the case of most of the telerrobots used in the industry; such as the Kraft Telerobotics Grips, Mascot IV of Oxford Technologies LTD., or the Titan telemanipulators of Schilling Robotics.
Sin embargo, ninguno de los sistemas telerrobóticos comercializados en la actualidad permite la combinación del control en posición y el control en velocidad. Cuando existen diferencias significativas entre el campo de trabajo de maestro y esclavo se utiliza el control en velocidad o el control en posición con indexación. La indexación consiste en desacoplar maestro y esclavo cuando el maestro alcanza su límite de movimiento, entonces se reubica al maestro en una nueva posición que permita guiar de nuevo al esclavo de forma favorable. El However, none of the telerobial systems currently marketed allows the combination of position control and speed control. When there are significant differences between the master and slave work field, the speed control or the position control with indexing is used. Indexing consists in decoupling master and slave when the master reaches his limit of movement, then the teacher is relocated to a new position that allows the slave to be guided again favorably. He
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inconveniente de la indexación es que se pierden las referencias de movimiento entre maestro y esclavo. Lo cual supone una disminución del rendimiento del sistema ya que el operador precisa reubicarse en el nuevo sistema de referencia. The disadvantage of indexing is that the movement references between master and slave are lost. This means a decrease in system performance since the operator needs to relocate to the new reference system.
Como es sabido, se conoce como telepropriocepción a la correcta percepción que tiene una persona que guía un robot cuando siente que los movimientos que él realiza se reproducen correctamente por el robot al que está guiando remotamente. La telepropriocepción es un problema relacionado con la coherencia entre los sistemas de referencia de los movimientos que se realizan. Los sistemas de referencia que intervienen están los ligados a: dispositivo maestro, dispositivo esclavo, y dispositivos de realimentación de información. As is known, teleproprioception is known to the correct perception that a person who guides a robot has when he feels that the movements he performs are correctly reproduced by the robot he is guiding remotely. Teleproprioception is a problem related to the coherence between the reference systems of the movements that are performed. The reference systems involved are those linked to: master device, slave device, and information feedback devices.
Los sistemas de referencia de maestro y esclavo dependen de la base a la que están fijados cada uno de ellos. El dispositivo de realimentación de información más habitual está formado por una o varias cámaras de vídeo, y su sistema de referencia dependerá de donde se encuentren fijadas las cámaras que podrán tener una posición fija, o por el contrario estar solidarias al robot esclavo. The master and slave reference systems depend on the base to which each one is attached. The most common information feedback device is formed by one or several video cameras, and its reference system will depend on where the cameras that may have a fixed position are fixed, or on the contrary be in solidarity with the slave robot.
La gran ventaja del control en posición es que garantiza altos niveles de telepropriocepción y por tanto una elevada productividad de los sistemas teleoperados. El problema de la indexación es que se pierde la coherencia entre los sistema de referencia de maestro y esclavo, y con ello la telepropriocepción, y como consecuencia disminuye significativamente la productividad. The great advantage of position control is that it guarantees high levels of teleproprioception and therefore high productivity of teleoperated systems. The problem of indexing is that coherence is lost between the master and slave reference systems, and with it teleproprioception, and as a consequence the productivity is significantly reduced.
El objetivo del método de guiado que propone la presente invención es, pues, evitar dichos inconvenientes y mantener la telepropriocepción del operador, aún variando el modo de control, de forma que no afecte a la productividad del sistema de teleoperación, debiendo señalarse que, al menos por parte del solicitante, se desconoce la existencia de ningún otro método de guiado o invención de aplicación similar que presente unas características técnicas semejantes a las que presenta el que aquí se preconiza, según los principios de las reivindicaciones. The objective of the guidance method proposed by the present invention is, therefore, to avoid said inconveniences and maintain the operator's teleproprioception, even by varying the control mode, so as not to affect the productivity of the teleoperation system, it should be noted that, at less by the applicant, the existence of any other guiding method or invention of similar application that has similar technical characteristics to those presented here, according to the principles of the claims, is unknown.
De forma concreta, lo que la invención propone, como ya se ha apuntado anteriormente ,es un método de guiado de robots de forma remota con la finalidad de combinar eficientemente control en posición y control en velocidad. El control en posición se utilizará cuando se requiera guiar un robot de forma muy precisa y el control en velocidad será usado cuando se requiera realizar grandes desplazamientos. Specifically, what the invention proposes, as already noted above, is a method of guiding robots remotely in order to efficiently combine position control and speed control. The position control will be used when it is required to guide a robot very precisely and the speed control will be used when large displacements are required.
En las operaciones de guiado de robots se considera la participación de dos dispositivos básicos, uno el robot que realiza la operación en un entorno remoto, conocido como esclavo; y otro, el dispositivo utilizado para guiar al esclavo, que se denomina maestro. Un operador humano será el encargado de utilizar el dispositivo maestro con la finalidad de guiar los movimientos del esclavo. In robot guiding operations, the participation of two basic devices is considered, one the robot that performs the operation in a remote environment, known as a slave; and another, the device used to guide the slave, which is called the master. A human operator will be in charge of using the master device in order to guide the movements of the slave.
Para realizar dicho guiado el método que preconiza la presente invención se basa en definir dos regiones diferenciadas de trabajo para el dispositivo maestro. Así, se contempla una región interior en la que se implementa un modo de control en posición, y una región externa en la que se implementa un modo de control de movimiento en velocidad. Y, para evitar eventuales inestabilidades en los sistemas de control en las transiciones entre ambos modos de control, se el dispositivo maestro adapta para que trabaje de acuerdo a las siguientes reglas de funcionamiento: To carry out said guidance, the method advocated by the present invention is based on defining two different regions of work for the master device. Thus, an interior region is contemplated in which a position control mode is implemented, and an external region in which a speed motion control mode is implemented. And, to avoid possible instabilities in the control systems in the transitions between both control modes, the master device is adapted to work according to the following operating rules:
El modo de control, en la región o zona interna del maestro, arrancará siempre desde la posición de reposo del robot esclavo. Este modo de control será en posición. Es decir, los movimientos del maestro se corresponderán con movimientos similares del esclavo, pudiéndose reflejar fuerzas al maestro que, habitualmente, se corresponderán con las fuerzas ejercidas por el esclavo sobre el entorno. The control mode, in the region or internal zone of the master, will always start from the rest position of the slave robot. This control mode will be in position. That is to say, the movements of the master will correspond with similar movements of the slave, being able to reflect forces to the master that, usually, will correspond to the forces exerted by the slave on the environment.
Cuando el maestro pase de la zona interna a la externa se le aplicará una pequeña vibración en el maestro para que el operador sea consciente de la transición. En caso de mantener al maestro en dicha zona, la vibración desaparecerá al cabo de unos segundos y se pasará al modo de control en velocidad. También es posible que el operador decida volver a la zona interna y mantenerse con el modo de control en posición; en este caso, el maestro volverá al punto donde se encontraba antes de cambiar de región, de forma que se garantice el sincronismo entre las posiciones de maestro y esclavo. La vibración es utilizada para indicar claramente la transición del modo de control en posición al modo de control en velocidad. When the teacher passes from the inner to the outer zone, a small vibration will be applied to the teacher so that the operator is aware of the transition. In case of keeping the master in that area, the vibration will disappear after a few seconds and will go to the speed control mode. It is also possible for the operator to decide to return to the internal zone and keep the control mode in position; in this case, the teacher will return to the point where he was before changing the region, so that synchronism between the master and slave positions is guaranteed. The vibration is used to clearly indicate the transition from the control mode in position to the speed control mode.
Cuando el maestro esté en la región o zona externa en el modo de control en velocidad, entonces el maestro generará órdenes de movimiento relativas a la velocidad del esclavo. El módulo de la velocidad será proporcional a la penetración del maestro dentro de la zona externa; es decir, en dicha zona externa de control en velocidad, la velocidad de desplazamiento del esclavo será proporcional a la penetración del maestro en ella, siendo dicha penetración la distancia mínima que separa al maestro de la región o zona interior. En cuanto a la dirección de desplazamiento del esclavo, ésta será la indicada por la posición del efector final del maestro dentro de dicha zona When the master is in the outer region or zone in the speed control mode, then the master will generate movement orders relative to the slave speed. The velocity module will be proportional to the teacher's penetration into the external zone; that is to say, in said external zone of speed control, the movement speed of the slave will be proportional to the penetration of the master into it, said penetration being the minimum distance that separates the master from the region or inner zone. As for the direction of travel of the slave, this will be indicated by the position of the final effector of the master within that zone
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externa. Además, al dispositivo maestro se le reflejará una fuerza proporcional a la penetración en la zona externa. Esto permitirá al operador conocer la velocidad con que se está moviendo el robot esclavo. external In addition, a force proportional to the penetration into the external zone will be reflected to the master device. This will allow the operator to know the speed with which the slave robot is moving.
La transición del modo de control en velocidad al modo de control en posición se realizará pasando por distintos estados que serán notificados al usuario a través de información háptica. Por ello, cuando el operador este saliendo de la zona de control en velocidad percibirá una vibración informando de este hecho, para posteriormente conducir el dispositivo maestro a una posición inicial de arranque del modo de control de posición. Este punto inicial del dispositivo maestro será, preferentemente, el centro de la zona interior, mientras que el esclavo quedará detenido en la posición en la que se hallase en el momento de la transición. Al mismo tiempo, el dispositivo maestro se orientará acorde a la orientación de la pinza o herramienta operante en el dispositivo esclavo, garantizando de este modo la congruencia de orientaciones entre ambos dispositivos. The transition from the speed control mode to the position control mode will take place through different states that will be notified to the user through haptic information. Therefore, when the operator is leaving the speed control zone, he will perceive a vibration informing of this fact, to subsequently drive the master device to an initial starting position of the position control mode. This initial point of the master device will preferably be the center of the inner zone, while the slave will be stopped in the position in which it was at the time of the transition. At the same time, the master device will be oriented according to the orientation of the clamp or operating tool in the slave device, thus guaranteeing the congruence of orientations between both devices.
Una vez que el maestro se encuentre en la posición central y su orientación sea congruente con la del esclavo, se volverá a pasar a funcionar en el modo de control en posición; y así, hasta que se volviera a entrar en modo de control en velocidad o se completara la tarea. Once the master is in the central position and its orientation is congruent with that of the slave, it will return to operation in the position control mode; and so, until the speed control mode was re-entered or the task was completed.
Este método de guiado es idóneo cuando el campo de trabajo del esclavo es muy superior al del maestro. Esto es típico de numerosas aplicaciones industriales, tales como el transporte de materiales, o las tareas de inspección y mantenimiento de instalaciones. En ambos casos se requieren grandes desplazamientos, el robot esclavo puede cubrir todo el espacio de trabajo o estar situado sobre una plataforma móvil que lo desplaza al lugar deseado. El sistema de guiado descrito es más eficiente que la indexación, y el requisito de volver al modo de control en posición desde dos posturas coherentes de maestro y esclavo, facilita significativamente la telepropriocepción del operador. This method of guidance is ideal when the slave's field of work is far superior to that of the master. This is typical of numerous industrial applications, such as the transport of materials, or the inspection and maintenance of facilities. In both cases large displacements are required, the slave robot can cover the entire workspace or be located on a mobile platform that moves it to the desired place. The guidance system described is more efficient than indexing, and the requirement to return to the position control mode from two coherent master and slave positions significantly facilitates operator teleproprioception.
Existe otro caso en el que este modo de guiado puede resultar muy efectivo. En concreto, para aquellos casos en los que se precise la realización de movimientos muy precisos por parte del robot esclavo. Los espacios de trabajo de maestro y esclavo pueden ser similares, pero se realizaría un escalado en los movimientos, de forma que los desplazamientos del esclavo se corresponden con desplazamientos mucho mayores del maestro. Esto permite realizar el equivalente a lo que sería el zoom de una imagen, es decir, que un movimiento de centímetros por parte del operador puede corresponderse con un movimiento milimétrico por parte del robot esclavo. Con ello se consigue una gran precisión de movimientos que es necesaria para tareas delicadas de manipulación. There is another case in which this mode of guidance can be very effective. Specifically, for those cases in which the realization of very precise movements by the slave robot is required. The master and slave workspaces may be similar, but the movements would be scaled up, so that the movements of the slave correspond to much larger movements of the master. This allows to realize the equivalent to what would be the zoom of an image, that is, that a movement of centimeters by the operator can correspond to a millimeter movement by the slave robot. This achieves a high precision of movements that is necessary for delicate handling tasks.
Las regiones interna y externa de los dos modos de trabajo del dispositivo maestro podrían ser zonas concéntricas al punto central del espacio de trabajo del dispositivo maestro. Así, la región interna de funcionamiento en modo de control en posición para el maestro es, preferentemente, una esfera interior que rodea a dicho punto central del espacio de trabajo del dispositivo, y la región externa de funcionamiento en modo de control en velocidad para el maestro es el área externa de alcance máximo del espacio de trabajo ,determinada a partir del perímetro de la citada esfera que conforma la región interior. De esta forma la penetración en la región externa, y por tanto la orden de velocidad que se genera para el esclavo, se puede calcular fácilmente como la distancia del extremo del maestro al centro de la esfera interior, menos el radio de la esfera interior. The internal and external regions of the two work modes of the master device could be concentric zones to the center point of the work space of the master device. Thus, the internal region of operation in control mode in position for the master is preferably an inner sphere that surrounds said central point of the working space of the device, and the external region of operation in speed control mode for the master is the external area of maximum scope of the workspace, determined from the perimeter of the aforementioned sphere that forms the interior region. In this way the penetration in the external region, and therefore the speed order that is generated for the slave, can easily be calculated as the distance from the end of the master to the center of the inner sphere, minus the radius of the inner sphere.
La transición del maestro desde el modo de control en velocidad al modo de control en posición requiere que el maestro entre dentro de la esfera interior. En principio, esta vuelta no genera ningún movimiento en el esclavo, y el maestro se posiciona en el centro de la esfera interior. En el caso de que las configuraciones de maestro y esclavo sean incoherentes en cuanto a orientaciones; entonces, se deberá reorientar al maestro de forma que se mantenga la coherencia entre los sistemas de referencia de maestro y esclavo. Si el esclavo se encuentra en un punto extremo de su espacio de trabajo, es aconsejable llevarlo a un punto en el que se faciliten los movimientos del robot esclavo para la manipulación. Esta reconfiguración debe mantener fija la posición del efector final del robot y por tanto se realizaría un movimiento de la base si fuera posible. Este movimiento se hará siempre que se garantice que no exista ninguna colisión del esclavo con su entorno. The transition of the master from the speed control mode to the position control mode requires that the master enter the inner sphere. In principle, this return does not generate any movement in the slave, and the master is positioned in the center of the inner sphere. In the case that the master and slave configurations are inconsistent in terms of orientations; then, the teacher should be reoriented so that consistency between the master and slave reference systems is maintained. If the slave is at an extreme point of his workspace, it is advisable to take him to a point where the movements of the slave robot are facilitated for manipulation. This reconfiguration should keep the position of the final effector of the robot fixed and therefore a movement of the base would be carried out if possible. This movement will be done as long as it is guaranteed that there is no collision of the slave with its surroundings.
Visto lo que antecede, se constata que el método de guiado de dispositivos robóticos teleoperados para alternar modo de control en posición y modo de control en velocidad representa una innovación de características desconocidas hasta ahora para tal fin, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita. In view of the foregoing, it is found that the method of guiding teleoperated robotic devices to alternate control mode in position and control mode in speed represents an innovation of characteristics unknown until now for this purpose, reasons that together with its practical utility, the provide sufficient grounds to obtain the privilege of exclusivity that is requested.
Para complementar la descripción que se está realizandode la invención, y para ayudar a una mejor comprensión de las características que la distinguen, se acompaña la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un juego de planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente: To complement the description that is being made of the invention, and to help a better understanding of the characteristics that distinguish it, this descriptive report is accompanied, as an integral part thereof, of a set of drawings, in which with character Illustrative and not limiting, the following has been represented:
La figura número 1.- Muestra una vista en perspectiva de una representación esquemática de un ejemplo de dispositivo maestro manejado por un operador para guiar un robot esclavo, según el método objeto de la Figure number 1.- Shows a perspective view of a schematic representation of an example of a master device operated by an operator to guide a slave robot, according to the method object of the
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invención. invention.
La figura número 2.- Muestra una vista en perspectiva de una representación esquemática del dispositivo maestro, en la que se han representado el espacio de trabajo del mismo dividido en la región interna donde se implementa el modo de control en posición y la región externa donde se implementa el modo de control en velocidad. Figure number 2.- Shows a perspective view of a schematic representation of the master device, in which the working space thereof has been represented divided into the internal region where the control mode is implemented in position and the external region where speed control mode is implemented.
A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede apreciar en ellas un ejemplo dedispositivos robóticos teleoperados a los que se aplica el método en cuestión para alternar modo de control en posición y modo de control en velocidad. In view of the aforementioned figures, and according to the numbering adopted, an example of teleoperated robotic devices to which the method in question to alternate control mode in position and control mode in speed can be seen can be seen.
Así, atendiendo a la figura 1, se observa un ejemplo de robot esclavo (3), concretamente un telemanipulador, controlado remotamente mediante un dispositivo maestro (1), cuyo efector final (5), es este caso una palanca de accionamiento, es manejado por un operador (2) para guiar los movimientos de dicho robot esclavo (3). Las comunicaciones(4) entre maestro (1) y esclavo (3)se transmiten, a través de sus respectivos controladores (no representados en las figuras). Estas órdenes son relativas tanto a movimientos como fuerzas ejercidas por ambos dispositivos. Thus, according to Figure 1, an example of a slave robot (3) is observed, specifically a telemanipulator, remotely controlled by a master device (1), whose final effector (5), in this case a drive lever, is operated by an operator (2) to guide the movements of said slave robot (3). Communications (4) between master (1) and slave (3) are transmitted, through their respective controllers (not shown in the figures). These orders are related to both movements and forces exerted by both devices.
Por su parte, la figura 2 muestra el espacio de trabajo (6) del efector final (5) del dispositivo maestro (1) que está dividida en dos regiones de distinta actuación: una región interna (7), donde se implementa un modo de control en posición, la cual ocupa un determinada área, normalmente similar a una esfera, que rodea el punto central del citado espacio de trabajo (6); y una región externa (8), en la que se implementa un modo de control en velocidad, y que ocupa el área externa de alcance máximo del efector final (5) en el espacio de trabajo (6) más allá del perímetro determinado por la región interna (7). For its part, Figure 2 shows the workspace (6) of the final effector (5) of the master device (1) which is divided into two regions of different performance: an internal region (7), where a mode of implementation is implemented. control in position, which occupies a certain area, normally similar to a sphere, that surrounds the central point of the mentioned workspace (6); and an external region (8), in which a speed control mode is implemented, and occupies the external maximum range area of the final effector (5) in the workspace (6) beyond the perimeter determined by the inner region (7).
Un ejemplo concreto de realización de la invención es la utilización de un dispositivo háptico Omni Phantom de Sensable como dispositivo maestro (1) y cualquier robot comercial, como podría ser el robot KR-150 de Kuka como robot esclavo (3). En dicho ejemplo, el radio de actuación del robot esclavo (3) es próximo a los dos metros y medio, mientras que el espacio de trabajo (6) del dispositivo maestro (1) constituido por el citado dispositivo háptico es próximo a una esfera de tan solo10 centímetros de radio. A specific example of embodiment of the invention is the use of a Sensable Omni Phantom haptic device as a master device (1) and any commercial robot, such as Kuka's KR-150 robot as a slave robot (3). In said example, the operating radius of the slave robot (3) is close to two and a half meters, while the workspace (6) of the master device (1) constituted by the said haptic device is close to a sphere of only 10 centimeters of radius.
Así, aplicando el método de guiado de la invención, se adapta como región interna (7) de la zona de trabajo (6) del dispositivo maestro (1),una zona esférica con un radio de, por ejemplo,8 centímetros con centro la zona central del espacio de trabajo (6) del Omni, para implementar en ella el modo de control en posición del robot esclavo (3). Y, paralelamente, se adapta una región externa (8) de dicho dispositivo maestro (1), que abarca el resto del espacio de su trabajo (6), para implementar en ella el modo de control en velocidad del robot esclavo (3). Thus, by applying the guiding method of the invention, an spherical zone with a radius of, for example, 8 centimeters with center is adapted as an internal region (7) of the working area (6) of the master device (1). central area of the work space (6) of the Omni, to implement in it the control mode in position of the slave robot (3). And, in parallel, an external region (8) of said master device (1), covering the rest of the space of its work (6), is adapted to implement in it the speed control mode of the slave robot (3).
El acoplamiento de ambos dispositivos, es decir, el dispositivo háptico Omni y el robot Kr-150, habitualmente se haría mediante control en velocidad o mediante un escalado en las posiciones de ambos dispositivos. El método de guiado aquí propuesto permite implementar un modo de guiado en velocidad para los grandes desplazamientos, y un modo de guiado en posición para aquellas zonas en las que se necesita una gran precisión. The coupling of both devices, that is, the Omni haptic device and the Kr-150 robot, would usually be done by speed control or by scaling the positions of both devices. The guidance method proposed here allows to implement a speed guidance mode for large displacements, and a position guidance mode for those areas where high precision is needed.
Las comunicaciones (4) entre los dos dispositivos se producen, por ejemplo, por medio de un computador tipo PC, para lo cual, en dicho computador se instalan los drivers necesarios (que proporciona Sensable para el Phantom), y la librería de comunicaciones con el robot KR 150, preferiblemente la librería ‘CrossComm’ de Kuka que permite la transferencia de comandos de movimiento en tiempo real al controlador de dicho robot. Communications (4) between the two devices are produced, for example, by means of a PC-type computer, for which, the necessary drivers (provided by Sensible for the Phantom) are installed on said computer, and the communications library with the KR 150 robot, preferably Kuka's 'CrossComm' library that allows the transfer of real-time motion commands to the robot controller.
En el PC se comprobará la posición del Omni que conforma el dispositivo maestro (1) en cada momento, y, como se ha señalado, se implementa el modo de control en posición para la zona esférica de la región interna (7) y el modo de control en velocidad para el resto de puntos del espacio de trabajo (6) del Omni, que conforman la región externa (8), implementándose, además ,efectos de vibración y señalización háptica en cada una de las transiciones entre la región interna (7) y la región externa (8) del efector final (5) del dispositivo maestro (1) que indican al operador (2) que lo maneja el cambio de un modo de trabajo a otro. On the PC the position of the Omni that makes up the master device (1) will be checked at all times, and, as noted, the control mode in position for the spherical zone of the internal region (7) and the mode are implemented of speed control for the rest of the Omni workspace (6), which make up the external region (8), also implementing effects of vibration and haptic signaling in each of the transitions between the internal region (7 ) and the external region (8) of the final effector (5) of the master device (1) that indicate to the operator (2) that it handles the change from one work mode to another.
En resumen, el método preconizado para evitar inestabilidades en la transición entre los modos de control en posición y en velocidad, comprende la adaptación del dispositivo maestro (1) para dividir su zona de trabajo (6) en una región interna (7)donde se implementa el modo de control en posición del robot esclavo (3), y una región externa (8) donde se implementa el modo de control en velocidad, contemplando la utilización de una red Ethernet para llevar a cabo las comunicaciones (4) entre el PC del dispositivo maestro (1) y el controlador del robot esclavo (3) para que transmitan tanto órdenes de movimiento como fuerzas ejercidas por ambos dispositivos. In summary, the recommended method to avoid instabilities in the transition between the control modes in position and speed, includes the adaptation of the master device (1) to divide its work area (6) into an internal region (7) where implements the position control mode of the slave robot (3), and an external region (8) where the speed control mode is implemented, contemplating the use of an Ethernet network to carry out communications (4) between the PC of the master device (1) and the slave robot controller (3) to transmit both movement orders and forces exerted by both devices.
El método contempla, además, la adaptación del dispositivo maestro (1) para que produzca efectos The method also contemplates the adaptation of the master device (1) to produce effects
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de vibración perceptibles por el operador (2) en cada una de las transiciones entre la región interna (7) y la región externa (8) del efector final (5), indicando el cambio de un modo de control a otro. of vibration perceptible by the operator (2) in each of the transitions between the internal region (7) and the external region (8) of the final effector (5), indicating the change from one control mode to another.
Es importante destacar también que, según el método propuesto, en el modo de control en It is also important to note that, according to the proposed method, in the control mode in
5 posición, donde los movimiento del maestro (1) se corresponden con movimientos similares del esclavo, se reflejan fuerzas al maestro que se corresponden con las fuerzas ejercidas por el robot esclavo (3) sobre el entorno; que, cuando se produce la transición de la región externa (8) a la interna (7), el efector del dispositivo maestro (1) vuelve al punto donde se encontraba antes de cambiar de región, garantizando el sincronismo entre las posiciones de maestro y esclavo y buscando el mayor grado de telepropriocepción posible para el operador; y que, cuando el 5 position, where the movements of the master (1) correspond to similar movements of the slave, forces are reflected to the master that correspond to the forces exerted by the slave robot (3) on the environment; that, when the transition from the external region (8) to the internal one (7) occurs, the effector of the master device (1) returns to the point where it was before changing the region, guaranteeing synchronism between the master positions and slave and looking for the highest degree of teleproprioception possible for the operator; and that when the
10 maestro está en la región externa (8), y por tanto en modo de control en velocidad, la velocidad de desplazamiento del esclavo (3) es proporcional a la penetración del efector (5) en dicha región externa (8), siendo dicha penetración la distancia mínima que separa al efector (5) de la región interna (7).Asimismo, en dicha región externa (8), la dirección de desplazamiento del esclavo (3), es la indicada por la posición del efector (5) dentro de dicha zona externa (8), y, también en dicha región externa (8), al dispositivo maestro (1) se le refleja una fuerza proporcional a The master is in the external region (8), and therefore in speed control mode, the travel speed of the slave (3) is proportional to the penetration of the effector (5) into said external region (8), said being penetration the minimum distance that separates the effector (5) from the internal region (7). Also, in said external region (8), the direction of travel of the slave (3), is indicated by the position of the effector (5) within said external zone (8), and, also in said external region (8), the proportional force is reflected to the master device (1)
15 la penetración en ella. 15 penetration into her.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciéndose constar que, dentro de su esencialidad, Describing sufficiently the nature of the present invention, as well as the way of putting it into practice, it is not considered necessary to make its explanation more extensive so that any person skilled in the art understands its scope and the advantages that derive from it, stating that, within its essentiality,
20 podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental. 20 may be put into practice in other embodiments that differ in detail from that indicated by way of example, and which will also achieve the protection that is sought as long as it is not altered, changed or modified its fundamental principle.
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- EP 0816020 A1 (KOMATSU MFG CO Ltd.) 07.01.1998, resumen; página 9, línea 7 – página 11, línea 1; figuras 1-3B,7. 1,2 EP 0816020 A1 (KOMATSU MFG CO Ltd.) 07.01.1998, summary; page 9, line 7 - page 11, line 1; Figures 1-3B, 7. 1.2
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- US 6801008 B1 (JACOBUS et al.) 05.10.2004, todo el documento. 1 US 6801008 B1 (JACOBUS et al.) 05.10.2004, the whole document. one
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- WO 9111298 A1 (SARCOS GROUP) 08.08.1991, resumen; figura 2. 1 WO 9111298 A1 (SARCOS GROUP) 08.08.1991, summary; figure 2. one
- A TO
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- Examinador F. García Sanz Página 1/4 Examiner F. García Sanz Page 1/4
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- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986)
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- D03 D03
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