A novel robotic framework for safe inspection and telemanipulation in hazardous and unstructured environments

Los sistemas roboticos inteligentes se estan convirtiendo en algo esencial para las aplicaciones espaciales, industriales, las centrales nucleares y los entornos hostiles en general, tales como las complejas instalaciones del acelerador de particulas de la Organizacion Europea para la Investigacion Nuclear (CERN) y sus experimentos. La tecnologia robotica tiene un enorme potencial para el beneficio de las personas y su ambito de aplicacion final depende de la forma en que esta es utilizada. Con el fin de incrementar la seguridad y disponibilidad de las maquinas, los robots pueden llevar a cabo tareas repetitivas, inesperadas y peligrosas, las cuales prefieren ser evitadas por los humanos o bien, son incapaces de realizarlas debido a tales peligros, limitaciones de espacio, o los entornos extremos donde tienen lugar. En la actualidad, los sistemas de mecatronica utilizan tecnologias consolidadas que les permite un uso robusto y seguro, incluso en colaboracion con trabajadores humanos. En los ultimos anos, el avance de los robots se ha basado en el desarrollo de sensores inteligentes, inteligencia artificial y sistemas mecanicos modulares. Debido a la multitud de desafios que los entornos peligrosos y desestructurados generan a la hora de aplicar sistemas industriales autonomos, todavia existe una amplia demanda de sistemas inteligentes y tele-operados que entregan el control de un robot (esclavo) a un operador humano a traves de dispositivos de entrada hapticos (maestro). Tecnicas modernas como los sistemas de simulacion y la realidad virtual pueden facilitar la preparacion de herramientas mecatronicas puntuales e intervenciones roboticas, incluyendo escenarios de recuperacion y modo de analisis de fallos. La contribucion base de esta tesis es el desarrollo de un novedoso framework robotico para inspecciones autonomas y teleoperaciones supervisadas en entornos hostiles. El framework propuesto cubre los aspectos de una intervencion robotica al completo, desde la especificacion y adiestramiento del operador, la eleccion del robot y sus materiales acorde con los posibles riesgos de contaminacion radiologica, hasta la realizacion de la intervencion, incluyendo procedimientos y planes de recuperacion. En un segundo conjunto de contribuciones, se desarrolla un metodo para las operaciones de mantenimiento mediante multirobots, incluyendo la preparacion de las intervenciones y las mejores practicas para la manipulacion remota y herramientas avanzadas. El tercer grupo de contribuciones se basa en una nueva interfaz multimodal humano-robot facil de usar, la cual permite entrenar operadores inexpertos en operaciones roboticas, haciendo uso de sistemas y tecnicas de realidad virtual, para tareas de inspeccion y/o mantenimiento. En esta tesis, explotamos un sistema robotico capaz de navegar de forma autonoma, inspeccionando entornos desconocidos de una forma segura. Un nuevo sistema de control en tiempo real ha sido implementado con el fin de garantizar una respuesta rapida a los cambios del entorno y la adaptacion a los diferentes tipos de escenarios que el robot podria encontrar en un entorno hostil y semiestructurado. El nuevo sistema para el control de robots propuesto, ha sido integrado en diferentes robots, ademas de testeado y validado en un gran numero de intervenciones roboticas dentro de las instalaciones del complejo acelerador de particulas del CERN. ----------ABSTRACT---------- Intelligent robotic systems are becoming essential for space applications, industries, nuclear plants and for harsh environments in general, such as the European Organization for Nuclear Research (CERN) particles accelerator complex and experiments. Robotics technology has huge potential benefits for people and its ultimate scope depends on the way this technology is used. In order to increase safety and machine availability, robots can perform repetitive, unplanned and dangerous tasks, which humans either prefer to avoid or are unable to carry out due to hazards, size constraints, or the extreme environments in which they take place. Nowadays, mechatronic systems use mature technologies that allow their robust and safe use, even in collaboration with human workers. Over the past years, the progress of robots has been based on the development of smart sensors, artificial intelligence and modular mechanical systems. Due to the multiple challenges that hazardous and unstructured environments have for the application of autonomous industrial systems, there is still a high demand for intelligent and teleoperation systems that give the control of a robot (slave) to a human operator via haptic input devices (master), as well as using human-supervised telerobotic control techniques. Modern techniques like simulation and virtual reality systems can facilitate the preparation of ad-hoc mechatronic tools and robotic intervention including recovery scenarios and failure mode analysis. The basic contribution of this thesis is the development of a novel robotic framework for autonomous inspections and supervised teleoperations in harsh environments. The proposed framework covers all aspects of a robotic intervention, from the specification and operator training, the choice of the robot and its material in accordance with possible radiological contamination risks, to the realization of the intervention, including procedures and recovery scenarios. In a second set of contributions, new methods for mutirobots maintenance operations are developed, including intervention preparation and best practices for remote handling and advanced tools. The third set of contributions is built on a novel multimodal user-friendly human-robot interface that allows operator training using virtual reality systems and technicians not expert in robot operation to perform inspection/maintenance tasks. In this thesis, we exploit a robotic system able to navigate autonomously and to inspect unknown environments in a safe way. A new real-time control system has been implemented in order to guarantee a fast response to environmental changes and adaptation to different type of scenarios the robot may find in a semi-structured and hazardous environment. The proposed new robotic control system has been integrated on different robots, tested and validated with several robotic interventions in the CERN hazardous particle accelerator complex.