Desarrollo de tecnologias de telemanipulacion con alto grado de escalado orientadas a la interaccion hombre robot en entornos nucleares
Year: 2016

Esta tesis se centra en desarrollo de tecnologias para la interaccion hombre robot en entornos nucleares de fusion. La problematica principal del sector de fusion nuclear radica en las condiciones ambientales tan extremas que hay en el interior del reactor, y la necesidad de que los equipos cumplan requisitos muy restrictivos para poder aguantar esos niveles de radiacion, magnetismo, ultravacio, temperatura. Como no es viable la ejecucion de tareas directamente por parte de humanos, habra que utilizar dispositivos de manipulacion remota para llevar a cabo los procesos de operacion y mantenimiento. En las instalaciones de ITER es obligatorio tener un entorno controlado de extrema seguridad, que necesita de estandares validados. La definicion y uso de protocolos es indispensable para regir su buen funcionamiento. Si nos centramos en la telemanipulacion con algo grado de escalado, surge la necesidad de definir protocolos para sistemas abiertos que permitan la interaccion entre equipos y dispositivos de diversa indole. En este contexto se plantea la definicion del Protocolo de Teleoperacion que permita la interconexion entre dispositivos maestros y esclavos de distinta tipologia, pudiendose comunicar bilateralmente entre si y utilizar distintos algoritmos de control segun la tarea a desempenar. Este protocolo y su interconectividad se han puesto a prueba en la Plataforma Abierta de Teleoperacion (P.A.T. que se ha desarrollado e integrado en la ETSII UPM como una herramienta que permita probar, validar y realizar experimentos de telerrobotica. Actualmente, este Protocolo de Teleoperacion se ha propuesto a traves de AENOR al grupo ISO de Telerobotics como una solucion valida al problema existente y se encuentra bajo revision. Con el diseno de dicho protocolo se ha conseguido enlazar maestro y esclavo, sin embargo con los niveles de radiacion tan altos que hay en ITER la electronica del controlador no puede entrar dentro del tokamak. Por ello se propone que a traves de una minima electronica convenientemente protegida se puedan multiplexar las senales de control que van a traves del cableado umbilical desde el controlador hasta la base del robot. En este ejercicio teorico se demuestra la utilidad y viabilidad de utilizar este tipo de solucion para reducir el volumen y peso del cableado umbilical en cifras aproximadas de un 90% para ello hay que desarrollar una electronica especifica y con certificacion RadHard para soportar los enormes niveles de radiacion de ITER. Para este manipulador de tipo generico y con ayuda de la Plataforma Abierta de Teleoperacion, se ha desarrollado un algoritmo que mediante un sensor de fuerza/par y una IMU colocados en la muneca del robot, y convenientemente protegidos ante la radiacion, permiten calcular las fuerzas e inercias que produce la carga, esto es necesario para poder transmitirle al operador unas fuerzas escaladas, y que pueda sentir la carga que manipula, y no otras fuerzas que puedan influir en el esclavo remoto, como ocurre con otras tecnicas de estimacion de fuerzas. Como el blindaje de los sensores no debe ser grande ni pesado, habra que destinar este tipo de tecnologia a las tareas de mantenimiento de las paradas programadas de ITER, que es cuando los niveles de radiacion estan en sus valores minimos. Por otro lado para que el operador sienta lo mas fielmente posible la fuerza de carga se ha desarrollado una electronica que mediante el control en corriente de los motores permita realizar un control en fuerza a partir de la caracterizacion de los motores del maestro. Ademas para aumentar la percepcion del operador se han realizado unos experimentos que demuestran que al aplicar estimulos multimodales (visuales, auditivos y hapticos) aumenta su inmersion y el rendimiento en la consecucion de la tarea puesto que influyen directamente en su capacidad de respuesta. Finalmente, y en referencia a la realimentacion visual del operador, en ITER se trabaja con camaras situadas en localizaciones estrategicas, si bien el humano cuando manipula objetos hace uso de su vision binocular cambiando constantemente el punto de vista adecuandose a las necesidades visuales de cada momento durante el desarrollo de la tarea. Por ello, se ha realizado una reconstruccion tridimensional del espacio de la tarea a partir de una camara sensor RGB D, lo cual nos permite obtener un punto de vista binocular virtual movil a partir de una camara situada en un punto fijo que se puede proyectar en un dispositivo de visualizacion 3D para que el operador pueda variar el punto de vista estereoscopico segun sus preferencias. La correcta integracion de estas tecnologias para la interaccion hombre robot en la P.A.T. ha permitido validar mediante pruebas y experimentos para verificar su utilidad en la aplicacion practica de la telemanipulacion con alto grado de escalado en entornos nucleares de fusion.  This thesis focuses on developing technologies for human robot interaction in nuclear fusion environments. The main problem of nuclear fusion sector resides in such extreme environmental conditions existing in the hot cell, leading to very restrictive requirements for equipment in order to deal with these high levels of radiation, magnetism, ultravacuum, temperature. Since it is not feasible to carry out tasks directly by humans, we must use remote handling devices for accomplishing operation and maintenance processes. In ITER facilities it is mandatory to have a controlled environment of extreme safety and security with validated standards. The definition and use of protocols is essential to govern its operation. Focusing on Remote Handling with some degree of escalation, protocols must be defined for open systems to allow interaction among different kind of equipment and several multifunctional devices. In this context, a Teleoperation Protocol definition enables interconnection between master and slave devices from different typologies, being able to communicate bilaterally one each other and using different control algorithms depending on the task to perform. This protocol and its interconnectivity have been tested in the Teleoperation Open Platform (T.O.P. that has been developed and integrated in the ETSII UPM as a tool to test, validate and conduct experiments in Telerobotics. Currently, this protocol has been proposed for Teleoperation through AENOR to the ISO Telerobotics group as a valid solution to the existing problem, and it is under review. Master and slave connection has been achieved with this protocol design, however with such high radiation levels in ITER, the controller electronics cannot enter inside the tokamak. Therefore it is proposed a multiplexed electronic board, that through suitable and RadHard protection processes, to transmit control signals through an umbilical cable from the controller to the robot base. In this theoretical exercise the utility and feasibility of using this type of solution reduce the volume and weight of the umbilical wiring approximate 90% less, although it is necessary to develop specific electronic hardware and validate in RadHard qualifications in order to handle huge levels of ITER radiation. Using generic manipulators does not allow to implement regular sensors for force feedback in ITER conditions. In this line of research, an algorithm to calculate the forces and inertia produced by the load has been developed using a force/torque sensor and IMU, both conveniently protected against radiation and placed on the robot wrist. Scaled forces should be transmitted to the operator, feeling load forces but not other undesirable forces in slave system as those resulting from other force estimation techniques. Since shielding of the sensors should not be large and heavy, it will be necessary to allocate this type of technology for programmed maintenance periods of ITER, when radiation levels are at their lowest levels. Moreover, the operator perception needs to feel load forces as accurate as possible, so some current control electronics were developed to perform a force control of master joint motors going through a correct motor characterization. In addition to increase the perception of the operator, some experiments were conducted to demonstrate applying multimodal stimuli (visual, auditory and haptic) increases immersion and performance in achieving the task since it is directly correlated with response time. Finally, referring to the visual feedback to the operator in ITER, it is usual to work with 2D cameras in strategic locations, while humans use binocular vision in direct object manipulation, constantly changing the point of view adapting it to the visual needs for performing manipulation during task procedures. In this line a three dimensional reconstruction of non structured scenarios has been developed using RGB D sensor instead of cameras in the remote environment. Thus a mobile virtual binocular point of view could be generated from a camera at a fixed point, projecting stereoscopic images in 3D display device according to operator preferences. The successful integration of these technologies for human robot interaction in the T.O.P. and validating them through tests and experiments, verify its usefulness in practical application of high scaling remote handling at nuclear fusion environments.