Estimación de fuerza basada en un observador de perturbación para aplicaciones hápticas

Abstract

Un dispositivo háptico es un mecanismo a través del cual el usuario puede manipular los movimientos de un objeto virtual o de un robot real a distancia, y recibir información táctil de ese entorno virtual o real. Las aplicaciones de la háptica se han extendido ampliamente a la medicina, como por ejemplo: para propósitos de entrenamiento de nuevos cirujanos, para la preparación ante una cirugía no común, en odontología, entre otras. Así también a la industria, para fines de entrenamiento virtual de algún proceso de ensamble, en el uso de algún dispositivo o máquina, entre otros. El conocimiento de la fuerza de contacto o de interacción entre el usuario y el dispositivo háptico, es empleada para la retroalimentación háptica. Sin embargo, el uso de sensores de fuerza en los dispositivos hápticos está limitado por el ancho de banda del sensor y los costos asociados para la implementación, incluyendo la adición de masa al dispositivo háptico. Por lo cual, la estimación de la fuerza de contacto sin el uso de sensores de fuerza ha sido un punto de atención de la comunidad científica, con el fin de disminuir cierta complejidad en el diseño de los dispositivos hápticos y lograr la retroalimentación háptica. En este sentido, el presente trabajo de tesis aborda el problema de la estimación de la fuerza aplicada por el usuario sobre un dispositivo háptico tipo palanca, basada en un algoritmo de estimación de perturbación sin el uso de sensores de fuerza. El dispositivo háptico estudiado es básicamente una palanca háptica, compuesta por un motor eléctrico de corriente directa como actuador y una palanca giratoria. Cuando el usuario aplica una fuerza sobre la palanca, se produce un movimiento angular; la palanca refleja una fuerza hacia el usuario (debida a la pared virtual), que es transferida a la palanca por medio del actuador a través de un sistema de transmisión. Se desarrollaron los modelos dinámicos del dispositivo háptico tipo palanca para dos casos de estudio: el primero considera que la transmisión del movimiento entre la flecha del actuador y la palanca háptica, es por contacto; en el segundo caso se considera que dicha transmisión es por cable. Como objeto virtual, se consideró una pared virtual con dinámica viscoelástica para una interacción unidimensional. Se explotó la propiedad de controlabilidad que tiene la dinámica del dispositivo háptico, con el fin de parametrizar el modelo del sistema en términos de una salida, llamada salida plana, de acuerdo a la técnica de Planitud Diferencial. Así también, los modelos dinámicos cumplen con la propiedad de observabilidad; y se desarrollaron algoritmos de observadores de perturbación para estimar la fuerza aplicada por el usuario, empleando parcialmente la metodología del Observador Proporcional Integral Generalizado (Observador GPI). Se consideró que la fuerza aplicada por el usuario es una señal localmente acotada por una familia de polinomios de Taylor variantes en el tiempo, y haciendo una extensión del observador de Luenberger se logra estimar la perturbación. Finalmente, se muestran los resultados de simulación numérica de ambos casos de estudio, tanto en movimiento libre (sin entrar en contacto con la pared virtual) y en movimiento restringido (estando en contacto con la pared virtual).