Procedimiento y sistema de asistencia para la manipulación de máquinas robotizadas en un entorno congestionado.

Procedimiento de asistencia para la manipulación de al menos una primera máquina móvil robotizada (201) quese desplaza por un entorno de trabajo congestionado bajo el control de al menos una segunda máquina móvilrobotizada,

como un sensor o una herramienta que interactúa con dicho entorno, caracterizado porque comprendeal menos las siguientes etapas:

• modelización de una representación virtual, en tres dimensiones, del entorno de trabajo y de los objetosreales que este comprende;

• determinación, en el entorno de trabajo, de un punto de destino (203) hacia el cual está orientada la línea devisión de dicha segunda máquina móvil robotizada;

• determinación de un punto de referencia (202) de la posición de dicha segunda máquina móvil robotizada;

• construcción, en dicha representación virtual, por medio de un motor físico, de un mecanismo virtual (205)que se extiende axialmente entre el punto de destino (203) y el punto de referencia (202) y que englobasustancialmente el segmento que une estos dos puntos (202, 203) a los cuales está virtualmente unido medianteunas uniones mecánicas;

• detección, por medio de un motor físico, de una colisión entre dicho mecanismo virtual (205) y un objeto realdel entorno de trabajo cuya posición se obtiene a partir de dicha representación virtual;

• cálculo de un diagrama de fuerza aplicado a dicho mecanismo virtual (205) resultante de su colisión con dichoobjeto real, manteniendo igual la posición de dicho punto de destino (203);

• determinación de la nueva posición de dicho mecanismo virtual (205) en el entorno de trabajo;

• determinación de la nueva posición de dicho punto de referencia (202) de dicha segunda máquina móvilrobotizada, a partir de la nueva posición de dicho mecanismo virtual (205) de tal modo que la línea de visiónentre dicho punto de referencia (202) y dicho punto de destino (203) esté libre de obstáculos.

Procedimiento y sistema de asistencia para la manipulación de máquinas robotizadas en un entorno congestionado La presente invención tiene por objeto un procedimiento y un sistema de asistencia para la manipulación de máquinas robotizadas en el interior de un entorno congestionado, en particular en el marco de un proceso de teleoperación.

La teleoperación es el control y mando a distancia por un operario humano de un brazo manipulador, de un aparato móvil o de cualquier otro dispositivo articulado y motorizado. En la siguiente descripción, dicho dispositivo se designará con el término manipulador. En un sistema completo de teleoperación, el operario humano interactúa a distancia con el manipulador por medio de un brazo articulado maestro cuyos movimientos son capturados, transmitidos y reproducidos por el manipulador. Para realizar esta manipulación en tiempo real, el operario necesita en todo momento una información visual de calidad sobre el entorno de trabajo lo que le permite ejecutar la tarea en curso de forma precisa y con total seguridad. Este punto de vista visual lo emite una cámara instalada en el sistema que comprende el manipulador. Esta cámara se puede situar en el extremo del brazo manipulador si se desea obtener un punto de vista local y preciso sobre la escena de trabajo. Sin embargo, esta posición presenta el inconveniente de limitar el campo de visión del operario y no permite ofrecerle una vista global de su entorno de trabajo. Para que la operación se desarrolle con total seguridad es a menudo necesario tener un segundo punto de vista que muestra al manipulador en la escena global. Este punto de vista global se obtiene de manera general por medio de una cámara motorizada de tipo PTZ (« Pan Tilt Zoom ») .

Uno de los problemas a resolver en un sistema de teleoperación es proporcionar en todo momento al operario un punto de vista pertinente sobre una zona de interés. Para algunas aplicaciones, el entorno por el cual se desplaza el manipulador es perfectamente conocido, está controlado y libre de obstáculos. En este caso, pueden ser suficientes las soluciones que utilizan una o varias cámaras fijas en el entorno. Sin embargo, cuando se desea seguir un punto móvil, este puede encontrarse fuera del campo de visión o también quedar oculto por la presencia de objetos del entorno e incluso por el propio manipulador. La imagen que recibe el operario por tanto no se puede utilizar. Un medio para paliar este problema es motorizar la cámara y utilizar, por ejemplo, una cámara de tipo PTZ (Pan Tilt Zoom) . Un segundo operario, preparado para pilotar el desplazamiento de dicha cámara motorizada, puede entonces actualizar la línea de visión de la cámara de forma manual. Dicho procedimiento también se puede automatizar fijando el punto de vista de la cámara sobre la zona de interés cuya posición se conoce en todo momento. Cuando el manipulador lleva a cabo un movimiento, la posición del punto de interés se traduce en una consigna de punto de vista para la cámara. El punto de vista de la cámara se actualiza a continuación en función de esta consigna. Este método da buenos resultados cuando la línea de visión de la cámara está despejada.

El problema que se propone resolver la presente invención es, por lo tanto, proporcionar en tiempo real al operario que manipula un objeto a distancia, una imagen pertinente de la escena en la que este trabaja. Una solución conocida para este problema consiste en situar una cámara en una segunda máquina robotizada cuya posición la actualiza un segundo operario. Sin embargo, esta solución no resulta satisfactoria ya que precisa una intervención humana. La producción de esta imagen, y de forma indirecta el ajuste del punto de vista de la cámara, deben, por el contrario, llevarse a cabo de forma automática sin incluir un segundo operario encargado de corregir de forma permanente el punto de vista para obtener un campo de visión libre sobre el objeto que hay que manipular.

Para resolver el problema ya mencionado, existen diferentes métodos conocidos del estado de la técnica.

Las soluciones más simples de llevar a cabo para ofrecer al operario un punto de vista pertinente son del tipo de las que se describen en la solicitud internacional de patente WO 2007/067167. El blanco se localiza por medio de un emisor situado sobre aquel y de un receptor acoplado a la cámara motorizada. El emisor transmite en tiempo real la posición del blanco al receptor, el cual comunica esta información al sistema encargado de actualizar la orientación de la cámara para que su línea de visión apunte siempre hacia el blanco. Dicho dispositivo es simple, pero no permite ofrecer una imagen pertinente para el operario cuando los obstáculos que lo ocultan están situados entre la cámara y el blanco. Este tipo de solución no es adecuado ya que no se tiene en cuenta el entorno.

Una solución diferente se desarrolla en la patente JP 03287394 así como en el artículo « Dynamic Sensor Planning in Visual Serving », Eric Marchand, Greg D. Hager, ICRA ’98. Esta consiste en obtener un punto de vista libre de obstáculos a partir de una cámara montada en un brazo robotizado, con la finalidad de poder a continuación coger el objeto de destino sin problemas. Los estudios que se describen en este último documento utilizan las técnicas de control visuales conocidas. Estas técnicas se basan en la definición de función de costes que se busca minimizar. El coste de la función se declara mínimo cuando los objetos de destino están situados en el centro de la imagen y cuando los objetos que los ocultan están en la periferia o fuera de la imagen. Se busca por tanto de forma permanente adaptar la posición del máquina robotizada para que la proyección del objeto de destino en la imagen y, por lo tanto, su superficie representativa en la imagen sea siempre lo más grande posible proporcionalmente con respecto a los otros objetos de la escena.

Otra solución conocida de la técnica anterior utiliza unos métodos denominados de planificación de ruta de referencia modelo o « path planning » en inglés. Basándose en un modelo geométrico de la escena, estos métodos

buscan un modelo que permita conectar un punto A con un punto B evitando los obstáculos. Un ejemplo de aplicación de esta técnica se describe en la patente americana 5808887. Al aplicar este método a la problemática de la teleoperación, se puede determinar la nueva posición de la cámara más próxima a su punto de partida de tal modo que se pueda trazar una línea recta sin que interfiera ningún obstáculo entre el blanco y la nueva posición de la cámara.

Un inconveniente importante de las técnicas de control visuales y de planificación de ruta es que ambas precisan una gran cantidad de cálculos lo que limita su uso para las aplicaciones en tiempo real. Además, el principal problema de los métodos de control visuales es que dependen de la calidad de las imágenes y precisan unos contrastes importantes entre los diferentes objetos de la escena para obtener una solución eficaz. También son muy sensibles a los efectos de la luz lo que resulta perjudicial en un contexto en el que el soporte de la cámara puede moverse y la incidencia de la luz sobre los objetos de la escena puede variar.

La presente solicitud de patente tiene, en particular, como objetivo resolver las limitaciones mencionadas con anterioridad de la técnica anterior proponiendo una solución económica en carga de cálculos e insensible a la calidad de la imagen, a la iluminación o a los contrastes de la escena.

Para ello, la presente invención tiene por objeto un procedimiento de asistencia al manejo de al menos una primera máquina móvil robotizada que se desplaza por un entorno de trabajo congestionado bajo el control de al menos una segunda máquina móvil robotizada, como un sensor o una herramienta que interactúa con dicho entorno, caracterizado porque comprende al menos las siguientes etapas:

○ modelización de una representación virtual, en tres dimensiones, del entorno de trabajo y de los objetos reales que este comprende;

○ determinación, en el entorno de trabajo, de un punto de destino hacia el cual está orientada la línea de visión de dicha segunda máquina móvil robotizada;

○ determinación de un punto de referencia de la posición de dicha segunda máquina móvil robotizada;

○ construcción, en dicha representación virtual, por medio de un motor físico, de un mecanismo virtual que se extiende axialmente entre el punto de destino y el punto de referencia y que engloba sustancialmente el segmento que une estos dos punto a los cuales está virtualmente unido mediante unas uniones mecánicas;

○ detección, por medio... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de asistencia para la manipulación de al menos una primera máquina móvil robotizada (201) que se desplaza por un entorno de trabajo congestionado bajo el control de al menos una segunda máquina móvil robotizada, como un sensor o una herramienta que interactúa con dicho entorno, caracterizado porque comprende al menos las siguientes etapas:

○ modelización de una representación virtual, en tres dimensiones, del entorno de trabajo y de los objetos reales que este comprende;

○ determinación, en el entorno de trabajo, de un punto de destino (203) hacia el cual está orientada la línea de visión de dicha segunda máquina móvil robotizada;

○ determinación de un punto de referencia (202) de la posición de dicha segunda máquina móvil robotizada;

○ construcción, en dicha representación virtual, por medio de un motor físico, de un mecanismo virtual (205) que se extiende axialmente entre el punto de destino (203) y el punto de referencia (202) y que engloba sustancialmente el segmento que une estos dos puntos (202, 203) a los cuales está virtualmente unido mediante unas uniones mecánicas;

○ detección, por medio de un motor físico, de una colisión entre dicho mecanismo virtual (205) y un objeto real del entorno de trabajo cuya posición se obtiene a partir de dicha representación virtual;

○ cálculo de un diagrama de fuerza aplicado a dicho mecanismo virtual (205) resultante de su colisión con dicho objeto real, manteniendo igual la posición de dicho punto de destino (203) ;

○ determinación de la nueva posición de dicho mecanismo virtual (205) en el entorno de trabajo;

○ determinación de la nueva posición de dicho punto de referencia (202) de dicha segunda máquina móvil robotizada, a partir de la nueva posición de dicho mecanismo virtual (205) de tal modo que la línea de visión entre dicho punto de referencia (202) y dicho punto de destino (203) esté libre de obstáculos.

2. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicha primera máquina móvil robotizada (201) es un brazo articulado y porque dicho punto de destino (203) está sustancialmente situado en el extremo de dicho brazo.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicho mecanismo virtual (205) presenta una sección transversal que ocupa sustancialmente el campo de visión de dicha segunda máquina móvil robotizada.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicho mecanismo virtual (205) está constituido por un conjunto de cilindros telescópicos.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la unión mecánica entre dicho mecanismo virtual (205) y dicha primera máquina móvil robotizada (201) en el punto de destino (203) es una unión de tipo rótula.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque la unión mecánica entre dicho mecanismo virtual (205) y dicha primera máquina móvil robotizada (201) en el punto de destino (203) está realizada por medio de un control de posición, de tal modo que se pueda modificar dicho punto de destino (203) durante el transcurso de la manipulación.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicha segunda máquina móvil robotizada es una cámara y dicho punto de referencia (202) está situado en el eje óptico a una distancia de la cámara sustancialmente igual a su distancia focal.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque dicha segunda máquina móvil robotizada es un láser telemétrico o un limpiador de alta presión.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicha segunda máquina móvil robotizada comprende un brazo articulado.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicho punto de referencia

(202) está unido de forma virtual a un punto solidario con dicha segunda máquina móvil robotizada por medio de una unión mecánica virtual de tipo muelle.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque un operario manipula a distancia dicha primera máquina móvil robotizada (201) .

12. Sistema de teleoperación para la manipulación a distancia de al menos una primera máquina (119, 121, 123) robotizada que se desplaza por un entorno de trabajo congestionado a partir de un brazo articulado maestro (109, 113) que acciona un operario (110, 114) , reproduciendo los movimientos de dicho brazo maestro (109, 113) dicha primera máquina robotizada (119, 121, 123) por medio de unos medios de captura (108, 112) , de transmisión (116, 117) y de reproducción (118, 120, 122) de los movimientos, caracterizado porque comprende, además, al menos una segunda máquina móvil robotizada (124, 128, 129) accionada por unos medios de control, una base de datos

(101) que contiene una representación virtual en tres dimensiones del entorno de trabajo, un motor físico de software adaptado para detectar y analizar las colisiones entre dos objetos que comprende dicho entorno de trabajo y unos medios que permiten aplicar el procedimiento de asistencia para la manipulación a distancia de dicha primera máquina robotizada (119, 121, 123) según una de las reivindicaciones 1 a 11.

13. Sistema de teleoperación según la reivindicación 12 caracterizado porque dicha primera máquina robotizada (119, 121, 123) comprende un brazo articulado.

14. Sistema de teleoperación según una de las reivindicaciones 12 a 13 caracterizado porque dicha segunda máquina móvil robotizada (124, 128, 129) es una cámara, un láser de telemetría o un limpiador de alta presión acoplado o no a un brazo articulado.

15. Sistema de teleoperación según una de las reivindicaciones 12 a 14 caracterizado porque dicha representación virtual en tres dimensiones se produce mediante un software de diseño asistido por ordenador.