Modeling, control and force feedback for teleoperation of excavator-type mobile manipulators

Autor: Lucas Carvalho Gonçalves
Přispěvatelé: Gustavo Medeiros Freitas, Armando Alves Neto, Douglas Guimarães Macharet, Gustavo Pessin
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFMG
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
instacron:UFMG
Popis: CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Teleoperação pode ser definida como a operação de equipamentos ou dispositivos localizados fisicamente distantes do operador, estendendo a capacidade humana de manipular objetos e controlar equipamentos remotamente, provendo ao operador as informações necessárias para tornar a interação o mais natural e transparente possível. Tais sistemas podem ser aplicados em diferentes áreas, como cirurgia médica, exploração espacial, manipulação de materiais radioativos, inspeção de áreas confinadas e mineração. No caso da mineração, a teleoperação pode auxiliar na redução da presença física de trabalhadores em campo, aumentando a segurança e o conforto para os operadores de equipamentos de mineração, bem como possibilitar o aumento de produtividade. Neste contexto, o projeto Teleoperação Avançada de Equipamentos de Mineração, realizado em parceria entre o Instituto Tecnológico Vale (ITV) e o Laboratório de Visão Computacional e Robótica (VeRLab) do Departamento de Ciência da Computação da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), tem como objetivo principal desenvolver um arcabouço computacional de teleoperação para realizar tarefas remotas com um veículo do tipo escavadeira. Esta dissertação faz parte do projeto e apresenta um estudo e investigação de técnicas consideradas como estado da arte para compor três configurações de realimentação de força do arcabouço: a primeira configuração sem nenhum tipo de informação háptica do ambiente remoto; a segunda com realimentação de força permitindo ao operador sentir as interações da caçamba da escavadeira com objetos; a terceira combinando as forças de interação com forças que direcionam o operador ao local de escavação/depósito. As diferentes estratégias de teleoperação são verificadas experimentalmente, por meio de testes realizados em laboratório utilizando uma plataforma móvel com um braço manipulador, semelhante a uma escavadeira em escala reduzida. Os experimentos consistiram no uso de um dispositivo háptico e de um joystick para operar a escavadeira robótica e emular uma tarefa de carregamento/descarregamento de materiais. Por fim, o NASA Task Load Index (NASA-TLX) foi utilizado com um grupo de voluntários para medir a carga de trabalho ao teleoperar a plataforma robótica usando as configurações de operação propostas. Os resultados mostram que a realimentação de força diminui o consumo de energia do equipamento e atenua o estresse físico do equipamento ao ter contato direto com uma superfície, assistindo o operador e trazendo segurança à máquina durante a teleoperação. Contudo, a carga de trabalho para realização da tarefa, medida por meio do NASA-TLX, aumentou para a maioria dos voluntários, revelando a necessidade de especialização de mão de obra à medida que o sistema se torna automatizado. Teleoperation can be defined as the operation of equipment or devices located physically distant from the operator, extending the human capacity to manipulate objects and control equipment remotely, providing the operator with the necessary information to make the interaction as natural and transparent as possible. Such systems can be applied in different areas such as medical surgery, space exploration, handling radioactive materials, inspection of confined areas and mining. In the case of mining, teleoperation can help reduce the physical presence of field workers, increasing safety and comfort for mining equipment operators, as well as enabling the increase in productivity. In this context, the project Teleoperação Avançada de Equipamentos de Mineração, carried out in partnership between Instituto Tecnológico Vale (ITV) and Laboratório de Visão Computacional e Robótica (VeRLab) of the Computer Science Department at Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), aims to develop a teleoperation computational framework to perform remote tasks with an excavator-type vehicle. This master thesis is part of the project and presents a study and investigation of techniques considered as state of the art to compose three framework force feedback configurations: the first configuration without any kind of haptic information from the remote environment; the second with force feedback allowing the operator to sense the excavator’s bucket interactions with objects; the third combining the interaction forces with those that direct the operator to the excavation/deposit site. The different teleoperation strategies are experimentally verified, through tests carried out in a indoor environment using a mobile platform with a manipulator arm, similar to a scaled-down excavator. The experiments consisted of using a haptic device and a joystick to operate the robotic excavator and emulate a material loading/unloading task. Finally, the NASA Task Load Index (NASA-TLX) was used with a group of volunteers to measure the workload when teleoperating the robotic platform using the proposed operating configurations. The results show that the force feedback reduces the equipment’s energy consumption and the physical stress of the equipment during direct contact with a surface, assisting the operator and providing safety to the machine during teleoperation. However, the workload to perform the task, measured through the NASA-TLX, increased for most volunteers, revealing the necessity for labor specialization as the system becomes automated.
Databáze: OpenAIRE
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