Telemanipulación robotizada en entornos radioactivos

Telemanipulación robotizada en entornos radioactivos

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El Idaho National Laboratory es una instalación del gobierno norteamericano dependiente del departamento de energía.

Entre sus laboratorios se encuentra el Irradiated Materials Characterization Laboratory enfocado en la caracterización mecánica, térmica y microestructural de materiales radiados entregados por clientes de diferentes sectores. La técnica de radiar piezas metálicas persigue mejorar sus propiedades mecánicas. Estas piezas emiten radiación a un nivel peligroso para las personas por lo que no se pueden manipular de forma directa. 

Los procesos de testeo se realizan en un entorno cerrado, hot cell, cámara con paredes de 1m de grosor, e incluyen máquinas de compresión, tensión e impacto, instalación y eliminación de fijaciones, pruebas en microscopios, etc. Es necesario su manipulación remota desde un alimentador de entrada, traspaso a los varios tipos de puestos de pruebas hasta su salida de la hot cell en contenedores cerrados.

Actualmente esta manipulación la realizan operarios situados en el exterior de la hot cell, que ven su interior a través de gruesas ventanas (con capas de vidrio plomado y aceite para evitar el paso de la radioactividad hacia el exterior). Se utilizan unos manipuladores electromecánicos de tipo maestro-esclavo: la parte “maestro” del manipulador está en el exterior de la hot cell y la manipula el operario con ambas manos; la parte “esclavo” está en el interior y reproduce exactamente los movimientos que realiza en el exterior la parte maestra controlada por el operador.

Operarios en el exterior de la hot cell, con la parte maestra de dos manipuladores. A través de la ventana se puede ver el interior de la hot cell (entorno radiactivo).

INL lleva más de 30 años utilizando esta tecnología, pero está buscando nuevas soluciones que le permitan:

  • Aumentar el rendimiento de la instalación. El proceso de manipulación no es muy intuitivo, requiere aprendizaje y está aumentando la demanda de testeo de piezas, que son además de alto valor.
  • La configuración del manipulador maestro-esclavo no es ergonómica. El operador está de pie cuando lo usa, utilizando ambas manos con movimientos no naturales y necesitando actuar en botones cuando quiere cerrar la garra en la parte esclava del manipulador. La visión a través de las gruesas ventanas no es clara y dificulta la operativa.
  • El mantenimiento de la instalación es cara debido al coste de los manipuladores actuales y de las ventanas especiales.
  • Hay una tendencia a intentar automatizar parte de las tareas de manipulación para mejorar el rendimiento.

INL busca una sustitución a los actuales manipuladores y a mejorar en general la funcionalidad con nuevas tecnologías que integrarán sus nuevos laboratorios en construcción. Teniendo conocimiento de los desarrollos que realizó TECNALIA en 2015 para un robot quirúrgico teleoperado (BROCA), INL nos consultó la posibilidad de desarrollar una solución similar para la telemanipulación de sus piezas.

BROCA es un sistema de cirugía robótica remota, para cirugía laparoscópica, consta de 3 brazos robóticos con interfaces de usuario intuitivas. Son controlados por joysticks que proporcionan sensaciones táctiles (hápticas) al cirujano, que opera sentado frente a una pantalla con visión 3D del campo quirúrgico.

Robots colaborativos teleoperados

Aunque las aplicaciones de BROCA e Idaho son diferentes la solución técnica tiene bastantes similitudes: robots colaborativos teleoperados, joysticks hápticos, desmultiplicación de velocidad y espacio en el movimiento entre usuario y robot así como visión estéreo.

Debido a las peculiaridades y requisitos planteados por INL para su aplicación, la solución a medida que hemos planteado ha consistido en un sistema de telemanipulación robótica con realimentación háptica, que consta de dos partes: un doble brazo robótico dotado de una garra en el extremo de cada brazo, para la manipulación de objetos, que se colocaría en el interior de la hot cell, y dos joysticks que de forma remota utiliza un técnico, desde la zona segura de las instalaciones para controlar el movimiento del doble brazo.

El técnico dirige los movimientos del robot a través de los joysticks que manipula con sus manos y el robot reproduce fielmente los gestos de las manos. El técnico recibe imágenes 3D nítidas del interior de la hot cell para controlar la reacción y situación de las piezas, así como información táctil en los joysticks, como la fuerza y el movimiento aplicados por los brazos robóticos al manipularlas, garantizando una interactuación total con las piezas.

El desarrollo ha tenido lugar durante 2018 en nuestro área de Robótica Médica de Salud. Debemos tener en cuenta que el sistema se utilizará en laboratorios con unos requisitos altos de seguridad laboral. El inconveniente añadido es que los operarios no acceden al interior de la hot cell, por lo que se han aplicado requisitos extra en la construcción que aseguren un funcionamiento redundante y con capacidad de resolución remota de posibles situaciones de error.

El sistema se ha probado en nuestras instalaciones en noviembre del año pasado por parte de personal técnico de INL. Una vez aceptado el desarrollo se ha preparado todo lo concerniente a embalaje especial (todo el equipo pesa alrededor de una tonelada), gestiones de exportación y transporte por avión hasta Idaho Falls, sede del laboratorio de INL a donde llegó en diciembre.

En enero de 2019 personal técnico de TECNALIA Salud se desplazó allí para supervisar el montaje final, realizar las pruebas de funcionamiento y realizar la formación del personal de INL en el manejo del equipo. Las perspectivas de INL, una vez transcurrido un período de pruebas en un entorno no definitivo (sin radiación, pero chequeando todas las funcionalidades), es integrar el equipo en los nuevos laboratorios que están construyendo, contemplando la posibilidad de contratar nuevos sistemas de parecidas características.

Estas soluciones de telemanipulación robótica se pueden emplear también en otros sectores:

  • Químico: para sustancias peligrosas.
  • Biológico: para muestras bacteriológicas o víricas.
  • Construcción: grandes cargas.
  • Aeroespacial: piezas y herramientas en estaciones en el espacio.
  • Defensa/seguridad: explosivos, armamento.
  • Protección civil: telemanipulación en robots móviles de rescate y desescombro.
  • Nuclear: mantenimiento e inspección en instalaciones nucleares.
  • Médico: además de la cirugía tal como se ha mostrado, también para manipulación de medicamentos peligrosos (radioactivos) para tratamientos contra el cáncer.

Sobre Arantxa Rentería Bilbao

Doctora en Ingeniería (2010, Universidad de Deusto), Máster en Robótica y Automatización (1988, Universidad del País Vasco), licenciada en Informática (1987, Universidad de Deusto). Comenzó su carrera profesional en Robotiker-TECNALIA en 1988. Actualmente dirige proyectos en el área de Salud,  unidad de Robótica médica, relacionados con aplicaciones de la robótica en entornos médicos y quirúrgicos, robótica móvil y asistiva, interfaces hápticos, etc.

Ha trabajado en proyectos de I+D y desarrollos para la industriA en temáticas relacionadas con células robotizadas, interfaces persona-máquina, robótica móvil, monitorización y adquisición de datos, simulación de robots, automatización para ingeniería medioambiental.

Ha impartido seminarios y cursos universitarios sobre robótica, dirigiendo varias tesinas de fin de carrera. Autora de diversas publicaciones especializadas y de un libro sobre fundamentos de la robótica.