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

Coloma Chacón, Sofía (2020). Methods, strategies and application cases for robotic telemanipulation in hazardous environments. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65723.

Description

Title: Methods, strategies and application cases for robotic telemanipulation in hazardous environments
Author/s:
  • Coloma Chacón, Sofía
Contributor/s:
  • Ferre Pérez, Manuel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 20 August 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Electrónica e Informática Industrial [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

Full text

[img] PDF - Users in campus UPM only until 11 June 2021 - Requires a PDF viewer, such as GSview, Xpdf or Adobe Acrobat Reader
Download (12MB)

Abstract

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. ----------ABSTRACT---------- Robotic systems are useful in many sectors, mainly used to benefit and enhance people’s lives. Robots can explore hidden and unknown places, carry out precise tasks without fatigue, and even operate in dangerous environments. They are considered of great importance to industrial evolution. Many applications have been developed for space, industrial, nuclear and other harsh environments like those in some particle accelerators. However, hostile and unstructured environments continue to present many challenges that still need to be addressed, and this could complicate the application of autonomous industrial systems. This is the reason why the use of intelligent and teleoperated systems continues to be the preferred choice for hazardous applications, whereby a human controls the robot (slave) through control devices (master). The teleoperation allows humans to detect hazards or risks more quickly and act accordingly. The main focus of this thesis is on the development of technologies to perform telerobotic or Remote Handling (RH) operations in hazardous environments. This contribution delves into RH operations for environments with ionising radiation, specifically in particle accelerators such as the European Organization for Nuclear Research (CERN) and the International Fusion Material Irradiation Facility-DEMO Oriented Neutron Source (IFMIF-DONES). Firstly, this thesis proposes a methodology to develop and implement RH operations in radiation environments. This methodology facilitates coordinating the knowledge of different multi-disciplinary teams and unifying the information following the same path to pursue a common goal. The initial phases of a methodology can determine the success of the RH task. Therefore, there has to be a particular emphasis in the early stages, whereby the facility design can be a relevant factor as it can influence the results. For this reason, this thesis also presents design guidelines for facilities with particle accelerators. It is focused on how the components, the building and the equipment should be designed in order to perform safe and feasible RH operations. This guide has been developed based on the needs of these facilities since there were no general design guidelines for them. RH tasks in radiation environments also have an added difficulty which is the effect of radiation on the equipment and electronic components. It continues to be a challenge that must be addressed in-depth. It is important to design or choose the most appropriate equipment (cranes, robots, etc.) for each situation. It depends on factors such as the radiation dose, time of operation, and so on. Therefore, this work has contributed to knowledge in this field, carrying out tests under gamma radiation to know the behaviour of electronic devices and robots. Part of the mentioned knowledge is put into practice at the design phase of the IFMIF-DONES facility. The contribution in this real application has been based on defining, designing and coordinating engineering solutions for the RH maintenance of some components (for example, the replacement of the tested material under neutron radiation in the Test Cell (TC)). Nonetheless, the maintenance operations using RH have quite a few challenges that need to be taken into consideration. One of the main difficulties is that the equipment has tools that do not require direct human assistance since, in some areas, there are high levels of radiation. It involves finding specific solutions that guarantee safe and effective component maintenance. Additionally, this equipment must withstand certain levels of radiation, considering that in case of failure, a human could not enter to rescue or repair the equipment. The fact that time is a critical factor for this application implies that the tasks must be optimised to speed up the maintenance operation. A secondary contribution has been studying human-robot interaction in the field of telemedicine. Continuing with the line of applications in harsh environments, a telerobotic system capable of performing specific basic health tasks has been implemented for patients with highly infectious diseases such as that caused by the Ebola virus. However, it can be extrapolated for the patients that have the coronavirus disease (COVID-19) or tasks requiring high dexterity and precision in radiation environments. Moreover, this contribution analysed what kind of devices, control methods, scaling and communication channels are suitable for precision tasks telemanipulating a humanoid.

More information

Item ID: 65723
DC Identifier: http://oa.upm.es/65723/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65723
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65723
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 13 Dec 2020 16:54
Last Modified: 13 Dec 2020 16:54
  • Logo InvestigaM (UPM)
  • Logo GEOUP4
  • Logo Open Access
  • Open Access
  • Logo Sherpa/Romeo
    Check whether the anglo-saxon journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo Dulcinea
    Check whether the spanish journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo de Recolecta
  • Logo del Observatorio I+D+i UPM
  • Logo de OpenCourseWare UPM