Methods, strategies and application cases for robotic telemanipulation in hazardous environments

• Autores: Sofía Coloma Chacón
• Directores de la Tesis: Manuel Ferre Pérez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2020
• Idioma: español
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  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • Los sistemas robóticos son útiles en infinidad de sectores, otorgando un enorme potencial para el beneficio de las personas. Los robots pueden acceder a lugares recónditos y desconocidos, realizar tareas que requieran precisión sin agotamiento, o incluso operar en entornos peligrosos para el ser humano. Esto ha sido crucial para la evolución humana y sus descubrimientos, ya que se han desarrollado aplicaciones para el sector espacial, industrial, entornos nucleares u hostiles en general, tales como las complejas instalaciones de los aceleradores de partículas. No obstante, los entornos hostiles y desestructurados continúan teniendo multitud de desafíos que deben ser abordados. Estas condiciones hacen que sea complejo utilizar sistemas industriales y autónomos. Por ello, el uso de sistemas inteligentes y teleoperados continúa siendo preferible, ya que el humano controla el robot (esclavo) a través de dispositivos de control (maestro), lo cual permite al humano detectar peligros o riesgos más fácilmente y actuar directamente sobre el entorno.

    La contribución principal de esta tesis se centra en el desarrollo de tecnologías para realizar operaciones de telemanipulación robótica o manejo remoto de equipos (Remote Handling, RH) en entornos peligrosos. Esta aportación profundiza en entornos con radiación ionizante, concretamente en aceleradores de partículas como la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) y la Instalación Internacional para la Irradiación de Materiales de Fusión – DEMO orientada a la fuente de neutrones (IFMIF-DONES). En primer lugar, esta tesis propone una metodología para desarrollar e implementar operaciones de RH en entornos con radiación. Esta metodología facilita coordinar el conocimiento de diferentes equipos multidisciplinares y unificar la información siguiendo un mismo camino para perseguir un fin común. Las fases iniciales de la metodología pueden determinar el éxito de la tarea remota, siendo un factor importante el diseño de la instalación. Por ello, en esta tesis también se ha desarrollado una guía de diseño genérica para instalaciones con aceleradores, la cual se enfoca en cómo deben ser los componentes, el edificio y los equipos de RH para ejecutar operaciones de RH seguras y factibles. Esta guía ha sido desarrollada en base a las necesidades de los aceleradores de partículas con altos niveles de radiación.

    Por otro lado, las tareas de RH en entornos con radiación tienen la dificultad añadida de que la radiación afecta a los materiales y componentes de los equipos. Esto continúa siendo un hándicap que debe ser abordado en profundidad para un correcto diseño o elección de los equipos de RH (grúas, robots, etc.) necesarios para cada situación. Factores como el nivel de radiación en la sala, tiempo de operación, entre otros condicionantes, son decisivos para los equipos. Por ello, este trabajo ha contribuido al conocimiento en este ámbito, realizando pruebas bajo radiación gamma para testear el comportamiento de dispositivos electrónicos y robots.

    Parte del conocimiento mencionado se ha puesto en práctica en la etapa de diseño de la instalación IFMIF-DONES. La contribución en esta aplicación real se ha basado en definir, diseñar y coordinar soluciones ingenieriles para el mantenimiento vía RH de ciertos componentes de la instalación, como por ejemplo el remplazo de los materiales que son testeados bajo radiación neutrónica en la Test Cell (TC). El mantenimiento mediante RH tiene bastantes desafíos que deben ser considerados. Una de las dificultades principales es que los equipos deben tener herramientas que no necesiten asistencia directa por parte de los humanos, ya que en algunas áreas del acelerador hay elevados niveles de radiación. Esto implica hallar soluciones específicas que garanticen el éxito y seguridad del mantenimiento de los componentes. Adicionalmente, se debe considerar que estos equipos deben soportar ciertos niveles de radiación, y en el caso de fallar, un humano no podría entrar a rescatar o reparar el equipo. Por otra parte, el tiempo es un factor dominante, por lo tanto, las tareas deben optimizarse para conseguir agilizar las operaciones de mantenimiento.

    Una contribución secundaria ha sido estudiar la interacción hombre-robot en el ámbito de la telemedicina. Siguiendo con la línea de aplicaciones en entornos hostiles, se ha implementado un sistema telerrobótico capaz de realizar ciertas tareas sanitarias básicas en pacientes con enfermedades altamente infecciosas, como la provocada por el virus Ebola. No obstante, esta aplicación puede ser extrapolable para pacientes con coronavirus (COVID-19) o tareas que requieran una alta destreza y precisión en entornos con radiación. Así mismo, este desarrollo también ha analizado que tipo de dispositivos, métodos de control, escalado y canales de comunicación son adecuados para tareas de precisión telemanipulando un humanoide.