PDF de programación - Robótica Asistida por Teleoperación y Realidad Virtual

Robótica Asistida por

Teleoperación y Realidad Virtual



Noviembre de 2003

Tesis de Maestría realizada por el Licenciado en Informática

Ulises Zaldívar Colado

Para obtener el grado de

Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica

Que otorga la Sección de Computación del

Departamento de Ingeniería Eléctrica del Cinvestav

Tesis dirigida por el

Dr. Juan Manuel Ibarra Zannatha

del Departamento de Control Automático del Cinvestav

y por el

Dr. Jorge Buenabad Chávez

de la Sección de Computación

del Departamento de Ingeniería Eléctrica del Cinvestav

ii



Resumen

la

tienen

la



Desde hace ya varias décadas la Robótica ha tenido un fuerte impacto en la sociedad y no
sólo en el sector manufacturero de la economía, ya que la automatización juega un papel muy
importante en muchas disciplinas de la vida diaria. La Robótica logra sustituir el trabajo humano
en labores que son peligrosas, insalubres y aún imposibles de realizar por trabajadores humanos.
En efecto, los robots suelen soportar más peso que un humano, pueden también ejercer más
fuerza que éste, además de que las máquinas realizan de mejor manera tareas repetitivas que a los
humanos normalmente les resultan tediosas, molestas y por ende peligrosas. De lo anterior se
desprende
la docencia en esta área.
Desgraciadamente cada vez es más difícil contar con la infraestructura material adecuada para
estas actividades en áreas que, como ésta, tienen una componente tecnológica fuerte, debido a los
altos costos de inversión, operación y mantenimiento que demanda.

Esta tesis presenta el diseño e implementación de un Laboratorio Virtual de Robótica que
permite a una gran cantidad de gente acceder a un laboratorio de robótica real equipado con una
infraestructura experimental especializada, mediante una herramienta tan simple, común y barata
como es Internet. Este laboratorio apoyará la formación de recursos humanos y la realización de
proyectos de desarrollo distribuidos en el espacio.

importancia que

investigación y

Las tres principales funciones de nuestro laboratorio virtual son:

• La generación de Mundos Virtuales Interactivos, lo cual permite tener una versión virtual
simulada del robot existente en el laboratorio de robótica real. El uso de realidad virtual
permite tener un clon virtual del robot real para manipular, programar y simular tareas
industriales reales.

• La Teleoperación, que permite trabajar con los dispositivos del laboratorio remotamente
desde cualquier sitio conectado a Internet y ejecutar en ellos tareas concebidas, programadas
y simuladas remotamente en el mundo virtual equivalente.

• La Programación Automática, permite generar aplicaciones industriales de manipulación y

lograr su correcta ejecución en el robot real.


Los lenguajes utilizados para la creación de los mundos virtuales interactivos fueron
VRML (Virtual Reality Modeling Language) y Java; para la Teleoperación principalmente se
utilizaron Java y Visual Basic; y la programación automática se logró combinando VRML y Java.

Además, se hicieron dos aplicaciones para probar la función correcta del sistema. Un
sistema de autoprogramación que permite que el robot virtual pueda organizar objetos en el
espacio de trabajo con base en criterios previamente establecidos. Y otro sistema que realiza la
teleoperación de un robot móvil hecho en la Universidad de Zaragoza en España.

en México y España.

Nuestro sistema y estas aplicaciones han sido la base para nuevos proyectos desarrollados



iii

iv



Abstract



Since a long time, Robotics has impacted in the society and not only in the economy’s
manufacturing sector, since the automation plays a very important role in many disciplines of the
daily life. Robotics replaces the human work on dangerous tasks, and some times, not possible to
do by humans. The robots can support a lot of height than humans, and be stronger than, and do
the human work of an easy way. That’s why the teaching and research had a very importance on
this area. Unfortunately, each time, is too difficult to have this kind of infrastructure, with good
technological component, because is too expensive.

This dissertation presents a design and implementation of the Virtual Robotics Laboratory
that permits to many people to access at the real Robotics Laboratory equipped with an
experimental specializing infrastructure through a cheaper tool as Internet. This laboratory will
support the formation of human resources and the development project achievement


Three main functions of this virtual laboratory are:

• Generation of Interactive Virtual Worlds, which allows having a simulated virtual
version of the existing robot in the laboratory. The use of virtual reality to have a virtual
clone of the real robot to manipulate, to programming and to simulate industrial real tasks.
• The Teleoperation, which allows to work remotely with the laboratory devices from any
place connected to Internet, and to execute in them tasks conceived, programmed and
simulated remotely in the virtual equivalent world.

• The Automatic Programming, allows to generate manipulation industrial applications

and to reach execution in the real robot.

The programming languages used to the virtual worlds creation were VRML (Virtual
Reality Modeling Language) and Java; for the Teleoperación principally Java and Visual Basic
were in use; and the automatic programming was achieved combining VRML and Java.

Besides, several applications were done to prove the well function of the system. An
autoprogramming system, that allows that the virtual robot could to organize objects in the
working space. Another system fulfils the teleoperación of a mobile robot done at University of
Zaragoza, Spain.

developed in Mexico and Spain.

Our system and some of these applications have been the base for new projects to be



v

vi







Contenido



Resumen
Abstract
Contenido
Lista de Figuras
Lista de de Programas
Lista de de Tablas
Agradecimientos
Dedicatorias


Capítulo 1
Introducción

1.1. Motivación
1.2.
1.3.
1.4. Organización de la tesis

Solución propuesta
Trabajos relacionados



Capítulo 2
Descripción de la Infraestructura Utilizada
2.1. Robot Industrial UNIMATE S-103

2.2. Estructura de Servidores y Red
2.3. Software



2.3.1. VRML
2.3.2. Interfaz de Comunicación Externa
2.3.3. Java
2.3.4. Otras herramientas utilizadas

2.1.1. Operación del Robot



iii
v
vii
xi
xiii
xv
xvii
xix

1
2
4
8

9
11
14
17
17
20
22
23

vii

Capítulo 3
Diseño del Laboratorio Virtual de Robótica
3.1. Organización del Laboratorio Virtual de Robótica
3.2. Mundo Virtual



3.2.1. Modelado de la Cinemática de Robots
3.2.2. Cinemática Directa del Robot UNIMATE S-103
3.2.3. Cinemática Inversa del Robot UNIMATE S-103
3.2.1. Interacción con el Robot Virtual
3.2.2. Actualización del Espacio Virtual
3.2.3. Manipulación de objetos por el Robot Virtual



3.3. Interfaz de Usuario



3.4. Autoprogramación del Robot
3.5. Teleoperación vía Internet



3.5.1. Teach Pendant Remoto
3.5.2. Teach Pendant Virtual
3.5.3. Monitoreo Visual Remoto

3.3.1. Manipulación del Robot Virtual en Coordenadas Articulares
3.3.2. Manipulación del Robot Virtual en Coordenadas Operacionales
3.3.3. Actualización del Mundo Virtual
3.3.4. Enseñanza y Programación del Robot

4.2.1. Eslabones Móviles



Capítulo 4
Diseño e Implementación del Robot Virtual
4.1. Introducción
4.2. Robot Virtual

4.3. Interfaz de Comunicación Externa
4.4. Interactuando con el Mundo Virtual
4.4.1. Rotación de las Articulaciones

4.4.2. Rotación con Interpolación

4.4.3. Manejo de la Pinza

4.4.4. Creación y Supresión de Objetos en el Mundo Virtual

4.5. Interfaces de salida de los MV



4.5.1. Rotación
4.5.2. Sensores
4.5.3. Tocando objetos



Capítulo 5
Diseño e Implementación de la Interfaz de Teleoperación vía Internet
5.1. Teach Pendant Hardware
5.2. Teach Pendant Virtual



5.2.1. Conectándose con el Robot
5.2.2. Recibiendo Datos del Robot

viii



25
27
28
32
34
36
36
37
38
38
39
40
41
43
43
44
45
46

47
49
52
57
58
59
61
64
76
78
78
80
81

84
84
85
86

5.2.3. Enviando Datos al Robot
5.2.4. Recibiendo Datos Remotos



5.3. Teach Pendant Remoto


5.4. Teleoperación desde el Mundo Virtual

5.3.1. Conectándose con el Teach Pendant Virtual
5.3.2. Enviando datos al Teach Pendant Virtual



Capítulo 6
Aplicaciones
6.1. Autoprogramación
6.2. Clasificación Automática
6.3. Robot Móvil



6.3.1.1. Hardware y Software disponibles
6.3.1.2. Flujo de comunicación

6.3.1. Arquitectura de la aplicación


6.3.2. Modelado del ambiente virtual en 3D
6.3.3. Resultados experimentales

7.1.1. De la Cinemática del Robot y del Sistema de Visión
7.1.2. Del Software Utilizado y Desarrollado



Capítulo 7
Conclusiones y Trabajos Futuros
7.1. Conclusiones


7.3. Trabajos en Curso y Futuros

Bibliografía y Referencias



88
89
92
94
95
97

101
102
104
105
105
106
107
109

111
112
113
115

117



ix





x



Lista de Figuras



Capítulo 1
Introducción

Figura 1.1. Esquema del software que constituye el Laboratorio Virtual de Robótica.

Imagen de la botonera externa


Capítulo 2
Descripción de la Infraestructura Utilizada

Figura 2.1. Aspecto del robot industrial UNIMATE S-103
Figura 2.2.
Figura 2.3 Esquema del Laboratorio Virtual de Robótica.
Figura 2.4 Diagrama de interacción cliente-servidor.
Figura 2.5 Ejemplo cor