Diseño y construcción de una interfaz háptica de seis grados de libertad

Abstract

El trabajo que se desarrolla a continuación busca enlazar al usuario con un entorno virtual generando un contacto físico por medio del sentido del tacto. Para generar este tipo de ambientes se requiere utilizar un dispositivo hardware, el cual puede ser manipulado por el usuario y un entorno tridimensional virtual que permita simular un escenario de trabajo. Este prototipo está basado en interfaces hápticas ya creadas como: HAPTIC 3R, FALCON, VIRTUOSE, PHANTHOM PREMIEUM 3.0. La primera interfaz mencionada es un proyecto que se desarrolló en la Universidad del Cauca, que permitió tener un contacto más cercano con este tipo de interfaces hápticas; las demás interfaces se encuentran actualmente en el mercado. HAPTIC 6DOF utiliza un modelo geométrico directo ya establecido con el cual se posiciona un objeto móvil en un punto deseado dentro de un entorno 3D, una vez se conocen los ángulos que genera cada articulación. Para la detección de colisiones se implementa un entorno 3D que permite realimentar las fuerzas por medio de la interfaz HAPTIC 6DOF; conjuntamente se implementa una interfaz de usuario que permite habilitar la comunicación entre el entorno 3D y Arduino, adicionalmente esta interfaz permite seleccionar los tres tipos de realimentación de fuerzas que se implementaron. Para este proyecto se realizó inicialmente la simulación de HAPTIC 6 DOF mediante la herramienta matemática MATLAB®. Consecutivamente se realizó el diseño de las piezas y su estructura mediante el software CAD SolidEdge®, con el fin de tener una idea general de la interfaz. Una vez se realizaron las anteriores tareas, se procedió a seleccionar la instrumentación de la interfaz. Gracias a los torques obtenidos mediante la simulación, la disponibilidad en el mercado nacional y su costo; se logró determinar los dos tipos de actuadores que se van a utilizar. Para el proceso de censado se utilizaron potenciómetros logarítmicos, que de acuerdo al tipo de articulación se han denominado como sensores secundarios (articulaciones de posicionamiento) y sensores de orientación (articulaciones de orientación). Posteriormente se enviaron los diseños CAD de las piezas, para realizar los cortes en las placas de acrílico, gracias a una maquina láser. Teniendo los componentes electrónicos, instrumentación, las piezas terminadas, y otros elementos mecánicos se inicia con la construcción de las tres primeras articulaciones. Consecutivamente se realizan las primeras pruebas de adquisición de datos. Paralelamente a estas tareas se inicia con la instalación del software que permite realizar la comunicación entre el computador y la interfaz; con el fin de lograr un realismo visual apropiado. Una vez realizadas las primeras pruebas de comunicación serial con resultados positivos, se continuo con el acople de las siguientes 3 articulaciones de posicionamiento. Luego se realizaron las respectivas pruebas entre el objeto móvil (esfera) dentro del objeto fijo (cubo). Posteriormente se realizaron las pruebas de realimentación de fuerzas una vez se presente el evento de colisión. La siguiente tarea fue el montaje total de las articulaciones, con las cuales se realizaron las últimas correcciones del montaje y pruebas de funcionamiento.

The work being done then seeks to link the user with a virtual environment generating physical contact through the sense of touch. To generate this type of environment are required to use a hardware device, which the user can be manipulated and three-dimensional virtual environment to simulate a working scenario. This prototype is based on haptic interfaces already created as HAPTIC 3R, FALCON, VIRTUOSE, PHANTOM PREMIEUM 3.0. The first interface is referred to a project that was developed at the University of Cauca, which allowed to have closer contact with this kind of haptic interfaces; other interfaces are on the market. HAPTIC 6DOF uses a direct geometric model already established which positioned a mobile object at a desired point within a 3D environment, when is known the angle that generating each articulations known. For the Collision detection we implement 3D environment that allows feedback forces through HAPTIC 6DOF interface. Together a user interface that allows you to enable communication between the 3D environment and Arduino, additionally this interface allows you to select three types of force feedback that were implemented. For this project first we perform a simulation the de HAPTIC 6 DOF through using MATLAB ® mathematical tool. Consecutively the design of parts and their structure by ® CAD SolidEdge software, in order to have a general idea of the interface. Then we proceeded to select the instrumentation of the interface. Thanks to the torques obtained by simulation, the availability in the domestic market and its cost; it was determined the two types of actuators that are to be used. Regarding the process of census, we used logarithmic potentiometers for joint orientation and the position. Subsequently CAD designs of the pieces were sent to cuts in acrylic plates, thanks to a laser machine. Considering the electronics components, instrumentation, finished parts, and other mechanical elements begins with the construction of the first three joints. Consecutively the first tests are performed data acquisition. Parallel to these activities begins with the installation of software that allows communication between the computer and the interface; in order to achieve an appropriate visual realism. After making the first tests of serial communication with positive results, we continue with the coupling constant of the following 3 joints positioning. Then were performed the respective tests between the mobile object (sphere) within the fixed object (cube) Later tests were performed the test force feedback once the collision event occurs. The next task was the total assembly of the joints, which we do the the latest fixes of mount and performance test.