Diseño e Implementación de un Prototipo de Brazo Robótico (4gl) Teleoperado para Manipulación de Sustancias Tóxicas Asistido con Visión Artificial y Redes Neuronales para Laboratorios Farmacéuticos

Abstract

El presente trabajo de investigación tiene por finalidad, dar una alternativa de solución a la manipulación de sustancias tóxicas para laboratorios específicamente farmacéuticos en salvaguarda de la salud del personal involucrado, razón por la cual esta tesis está evocada a la creación desde el diseño inicial de un prototipo de un brazo robótico de cuatro grados de libertad teleoperado y asistido con visión artificial y redes neuronales. El proyecto consta de seis capítulos, los mismos que serán descritos a continuación: El Capítulo I Fundamentación muestra la base científica sobre la que se construye la investigación, la misma que inicia con la identificación y descripción de la problemática a abordar; para luego dar un vistazo a los antecedentes con mayor relación a la presente tesis. Posteriormente se planteó los objetivos que se desean lograr al término del proyecto, se formuló una hipótesis y se dio a conocer la justificación y los alcances respectivos, para finalizar con la metodología de investigación que se siguió durante la realización del trabajo. El Capítulo II Marco Teórico recopila de forma sintetizada todo el soporte teórico necesario para comprender cada uno de los temas implicados en la investigación, que fueron aplicados para su desarrollo. Este apartado está dividido principalmente en seis secciones, siendo la primera referida a los laboratorios farmacéuticos con la finalidad de dar una visión global de la aplicación, para luego evocarnos a la parte de ingeniería propiamente del proyecto, definiendo criterios teóricos acerca de Robótica, Teleoperación, Visión Artificial, Redes Neuronales y Control por Torque Computado. El Capítulo III Diseño engloba en su totalidad el proceso de diseño del manipulador robótico desde el modelamiento matemático, pasando por la concepción de forma del robot, hasta la elección de los actuadores tomando en cuenta el torque que se necesita, en condiciones críticas para la parte mecánica. Y en cuanto al diseño electrónico, se consideró la elección de los componentes necesarios para posteriormente llevar a cabo el diseño preliminar del circuito. Finalmente se realizó el diseño de la maqueta, la misma que tiene por finalidad representar el ambiente para efectuar la aplicación del brazo robótico. El Capítulo IV Implementación se divide en dos grandes secciones, la primera referida a la Implementación Mecánica, en la que, a partir del diseño planteado, se fabricó y se realizó el montaje de cada una de las piezas que componen al brazo robótico, para luego llevar a cabo las pruebas respectivas y verificar así un buen funcionamiento, y la segunda, la Implementación Electrónica, en donde se desarrolló la integración de cada uno de los elementos ya elegidos y la impresión final del circuito, para finalmente someterlos en conjunto a diferentes ensayos a fin de comprobar su correcta operatividad. El Capítulo V Control e Interfaz Gráfica de Usuario contiene el desarrollo de toda la estrategia de control aplicada al sistema robótico y la interfaz HMI la misma que facilita la teleoperación del manipulador. En cuanto al Control se puede identificar claramente tres partes primordiales, iniciando con el modelamiento Kinect, el mismo que alberga la visión artificial del proyecto y se encarga de transformar el movimiento gestual del operador en coordenadas que sean entendibles por el brazo robótico; posteriormente, tenemos el control cinemático basado en redes neuronales, para la obtención de las coordenadas articulares del robot, las mismas que fueron utilizadas como entrada para el control Dinámico por Torque computado. Finalmente, en este apartado se puede encontrar también la programación usada en la tarjeta de Adquisición y Envío de datos, Raspberry, y la integración en su totalidad de cada una de las partes ya descritas para dar lugar al Sistema de Control del Brazo Robótico y realizar así las respectivas pruebas de funcionamiento virtuales. Y el Capítulo VI Pruebas y Resultados muestra la realización del ensayo llevado a cabo a fin de verificar de manera real el buen funcionamiento del proyecto, a nivel de diseño, implementación y control, con ayuda de la Interfaz Gráfica creada y demostrar que se alcanzó el objetivo propuesto. PALABRAS CLAVE: Brazo robótico, Teleoperación, Visión Artificial, Redes Neuronales, Laboratorios Farmacéuticos.