DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN ROBOT PARA

INSPECCIN VISUAL DE TUBERA OPERADO

REMOTAMENTE PARA LA EMPRESA FSB
RECUBRIMIENTOS INDUSTRIALES

Francisco Alejandro Sanchez Samaniego

Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE

e-mail: fasanchez4@espe.edu.ec

Resumen

El presente proyecto de grado consiste en el diseo y construccin de un robot para inspeccin visual
de tubera operado remotamente para la empresa FSB RECUBRIMIENTOS INDUSTRIALES, el cual est
diseado mecnicamente para ingresar dentro de tuberas de 8 plg., y con una autonoma capaz
permitir el avance de 36 metros dentro de la misma para la bsqueda y deteccin de errores. La
obtencin de imgenes se la realiz mediante visin artificial pero el encargado de cerrar el lazo de
control es el operador, quien mediante el anlisis del video en primera persona otorgado por el HMI
detecta y ubica la falla. Los sensores se encargan del monitoreo de temperatura, humedad, presencia
de gases inflamables y de informar la distancia recorrida por el robot en el interior de la tubera. El
sistema est basado en tecnologa Arduino y el HMI se program enteramente en el software
Labview utilizando el Arduino Toolkit para Labview.

Palabras Clave: robot, inspeccin, visual, tubera.

Abstract

This graduation project consists in the design and construction of a pipeline inspection robot operated
by remote control for FSB RECUBRIMIENTOS INDUSTRIALES enterprise, which is designed
mechanically to work inside an 8 inch, pipeline and an autonomy capable of advancing 36 meters with
the objective of search and detecting errors. The obtaining of images is realized by artificial vision but
the operator is in charge of closing de control loop, who through the video analysis in first person
granted by the HMI detects and locates de fail. The sensors are in charge of monitoring temperature,
humidity, presence of flammable gases and to inform the distance travelled by the robot inside the
pipeline. The system is based in Arduino technology, the HMI was fully programmed in Labview
using the Arduino Toolkit for Labview.

Key Words: robot, inspection, visual, pipeline.

Introduccin Actualmente la industria relacionada con la
robtica en el pas pasa desapercibida, no se
La Escuela Politcnica del Ejrcito muestra hallan soluciones tecnolgicas ptimas,
travs de su historia un liderazgo nato e estratgicamente presenta un enfoque
impulso tecnolgico que se ha demostrado en tradicional basado en fuerza de trabajo y
su fructfera historia. En el presente proyecto maquinara mecnica. Estas soluciones son
se busca, gracias a los conocimientos favorables pero en un mundo tan cambiante
impartidos en esta prestigiosa institucin, como el nuestro tenemos es necesario hallar
solucionar un problema suscitado desde ya tecnologas capaces de competir con pases
hace un tiempo en la industria ecuatoriana industrializados, los cuales todava nos llevan
pero sin solucionarse por los costos aos de ventaja en el campo mencionado.
exorbitantes que esto significa porque este
tipo de tecnologa nicamente se la importa La presente tesis se justificara con el hecho de
desde pases avanzados tecnolgicamente. que un robot como el propuesto dara impulso
para el desarrollo de una industria basada en la
El problema mencionado es la falta de produccin de autmatas, encargados de
capacidad de muchas industrias para verificar solucionar problemas cotidianos y que no sea
interiormente una tubera ya sea de gas o solamente aplicado a la industria como tal,
petrleo, pero el problema no termina ah sino tambin a diferentes aspectos que se
porque incluso diariamente convivimos con presenten en la vida diaria.
consecuencias directas o indirectas de esta
contrariedad. Todos los das nos encontramos Robots para diferentes tareas existen ya en el
con noticias relacionadas con el municipio de mercado en varios pases del mundo pero su
nuestra localidad, mencionando la destruccin costo para traerlos al pas muchas veces
de toda una carretera por problemas de excede los beneficios que propone una
alcantarillado ocasionando incontables inversin de tal magnitud. Fabricarlos en el
prdidas econmicas y contratiempos. pas mediante diseos propios y con mano de
obra ecuatoriana, como se propone en el robot
La solucin propuesta para este problema es la para inspeccin visual de tubera, reducira
creacin de un robot capaz de ingresar en la enormemente los costos. Provocando una
tubera mediante un sistema de locomocin tecnologa al alcance de los industriales de
propio que permita recorrer la misma y nos nuestro pas y esto a su vez fomenta la
brinde la capacidad de verificarla sin necesidad investigacin en este campo y darle a la
de destruirla ahorrando incontables recursos importancia que se merece en un mundo
econmicos. globalizado.

Este robot contara con un sistema capaz de El robot para inspeccin visual de tuberas
permitirle moverse a lo largo de la tubera la muestra una ventaja significativa al
cual necesita ser inspeccionada, nos mostrara encontrarse en la categora de pruebas no
la distancia recorrida, parmetros como destructivas, esto se debe a su utilizacin, en la
temperatura y humedad de la misma y su cual no se requiere el romper o daar ningn
principal funcin, llevara una cmara elemento analizado, el robot simplemente
encargada de permitir la observacin en recorre la tubera propuesta en busca de fallas
tiempo real del interior de la tubera. mediante inspeccin visual para saber
exactamente donde se encuentra. La solucin,
En varios pases ya se han implementado de esta manera, provoca el mnimo impacto
robots de este tipo (ver figura 1), para trabajos medio ambiental, la mnima utilizacin de
con gobiernos seccionales o con empresas de recursos y sobre todo un mnimo de tiempo
gas y petrleo pero importar uno desde Japn invertido para as optimizar la solucin de
est alrededor de los $500000 dlares lo que problemas.
ha pases pequeos como el nuestro sugiere
una enorme inversin. La importancia radica en buscar la solucin a
un tema ya resuelto en pases avanzados. En
Justificacin nuestro pas por los costos requeridos y sobre
todo por la falta de una industria propia Existen mltiples metodologas de diseo
dedicada a la fabricacin de autmatas pero para el proyecto de grado se ha elegido
encargados de solucionar problemas de esta la norma alemana VDI 2221, debido a que
ndole establecera un precedente, mostrando
presenta caractersticas puntuales adems de
as, la utilidad del robot y su aplicabilidad en la
industria. Fomentara la inversin en la misma una notable versatilidad en su desarrollo lo
al obtener resultados positivos, adems de que la convierte, segn opinin personal, en
ahorrar dinero, evitar dao innecesario al la metodologa correcta para el diseo
medio ambiente y aportar al desarrollo e propuesto.
investigacin en el Ecuador.
NORMA VDI 2221
Alcance
La norma de diseo VDI 2221 fue creada en
El presente proyecto de grado busca disear y Alemania por La sociedad de ingenieros
construir un robot para inspeccin visual de profesionales (Verein Deutscher Ingenieure),
tubera operado remotamente, el cual basar tomando en consideracin un enfoque
su sistema de adquisicin de imgenes en sistemtico del problema.
tiempo real, en un cmara montada sobre una
El proceso de diseo, como parte dela
plataforma que permitir el PAN y TILT de la
creacin del producto, se subdivide en fases de
misma, la cual estar comunicada con un
trabajo en general, por lo que el diseo
ordenador, adems de receptar y presentar
presenta un enfoque transparente, racional e
dicha seal de video otorgar la capacidad de
independiente de una rama especfica de la
controlar el desplazamiento del vehculo parte
industria (Cross, Nigel, 2005)
del sistema robotizado.
El proceso de diseo como lo presenta la
El vehculo de exploracin estar
norma VDI 2221 se basa en 7 etapas, la primera
completamente basado en tecnologa Arduino,
y la ms importante es la que se refiere a los
debido a sus reducidos costos y la facilidad que
requisitos de diseo, esta etapa a lo largo del
presenta el uso de su entorno de desarrollo. La
proceso de diseo sufre varias modificaciones
funcin principal del sistema robotizado
y es recurrente su anlisis posterior.
recaer en la obtencin de informacin del
interior de la tubera mediante sensores La segunda etapa se refiere a realizar un
dispuestos en el mismo y mediante el anlisis diagrama de las funciones y sub-funciones del
de la seal de video enviada por la cmara que sistema. La tercera etapa se busca realizar una
permita detectar cualquier falla que atente matriz morfolgica con todas las posibles
contra su integridad al cumplir el objetivo de soluciones a las funciones mencionadas en la
conduccin del hidrocarburo. etapa dos, cabe recalcar que no se debe
exagerar en su nmero, puesto que dificulta su
La interfaz con el operador o llamada HMI ser
anlisis.
la encargada de la manipulacin del robot a
distancia esta ser programada en el software La cuarta etapa pide al diseador, dividir el
Labview, cuyo propsito tambin consistir proceso de diseo en mdulos realizables en
en obtener ciertos parmetros del interior de este caso por ser un diseo mecatrnico se
la tubera adems de verificar datos de sumo dividir en tres estructuras fundamentales:
cuidado como es la distancia recorrida por el mecnica, electrnica y de control. La quinta
robot en el interior de la tubera. etapa se limita a realizar diagramas o
bosquejos preliminares de los mdulos
El diseo mecnico basa su concepto en que el
divididos para finalizarlos en la etapa 6. La
sistema robotizado en un prototipo por lo cual
etapa 7 se refiere a documentacin del
sus materiales son econmicos. El prototipo
producto, construccin y pruebas del mismo.
ser construido en materiales livianos y ser
En la figura 8 se puede apreciar las 7 etapas
especficamente diseado para usarse en
comprendidas en la metodologa de diseo VDI
plano.
2221.
Metodologa de Diseo
 artefactos especializados a travs de
movimientos variables programados
para la realizacin de una variedad de
tareas (RIA, 2004).
La Asociacin Japonesa de Robtica
Industrial (JIRA) define robot
como: ''Dispositivos capaces de
moverse de modo flexible anlogo al
que poseen los organismos vivos, con
o sin funciones intelectuales,
permitiendo operaciones en respuesta
a las ordenes humanas'' (Irene, s.f.).
Teleoperacin: conjunto de
Figura 1 Metodologa de Diseo VDI 2221
tecnologas que comprenden la
FUENTE: (Cross, Nigel, 2005)
operacin o gobierno a distancia de un
dispositivo por un ser humano. Por
Revisin Bibliogrfica tanto, teleoperar es la accin que
realiza un ser humano de operar o
Conceptos Bsicos: gobernar a distancia un dispositivo;
mientras que un sistema de
Robot, el concepto o definicin de robot vara teleoperacin ser aquel que permita
de acuerdo a los pases en los que se teleoperar un dispositivo, que se
encuentran o de acuerdo a las asociaciones denominar dispositivo teleoperado.
dedicadas al estudio de la robtica que operan (Nuo, Emmanuel, 2004)
ya sea en conjunto o individualmente. Existen Telerrobtica: conjunto de tecnologas
mltiples organizaciones y cada una tiene su que comprenden la monitorizacin y
reprogramacin a distancia de un
definicin de robot, las ms conocidas y
robot por un ser humano. Se hablar
aceptadas son: entonces de la teleoperacin de un
robot, que se denominar telerrobot o
La enunciada por la Organizacin
robot teleoperado. (Nuo, Emmanuel,
Internacional de Normalizacin (ISO,
2004)
por sus siglas en ingls) 8373 define a
Telepresencia: situacin o
un robot como: un manipulador
circunstancia que se da cuando un ser
automticamente controlado,
humano tiene la sensacin de
reprogramable, multiuso,
encontrarse fsicamente en el lugar
programable en tres o ms ejes, que
remoto. La telepresencia se consigue
pueden estar fijos en un lugar o
realimentando coherentemente al ser
movilizarse para ser usado en
humano suficiente cantidad de
aplicaciones de automatizacin
informacin sobre el entorno remoto.
industrial (ISO, 2011) Esta definicin
(Nuo, Emmanuel, 2004)
es usada por la Federacin
Internacional de Robtica, la Cadena
de Investigacin Europea de Robtica Robots Mviles
(EURON), y muchos otros comits de
estndares nacionales. Para entender a este tipo de robots, primero
El Instituto de Robtica de Amrica debemos delimitar el concepto de locomocin,
(RIA, por sus siglas en ingls) utiliza que se define como el proceso por el cual un
una definicin un poco ms amplia la robot puede desplazarse. Existe una gran
cual sostiene: Un robot es un variedad de modos de moverse sobre una
manipulador reprogramable y superficie slida, las maneras ms comunes de
multifuncional diseado para mover movilizarse son: ruedas, cadenas y patas.
materiales, partes, herramientas o
Debido a su facilidad y cantidad en el mercado, necesarios para su importacin, adems de los
los robots con ruedas son los ms comunes extras o accesorios de los que depende su
adems de su mayor capacidad de carga. Los correcto funcionamiento. La empresa adems
robots basados en patas y en cadenas se
ofrece equipos de segunda mano
consideran como ms complicados y sobre
todo ms pesados para una misma carga til. pertenecientes a la serie ROVVER cuyos
precios oscilan entre USD $24000 y USD
El problema ms comn con los robots de $37000, sin mencionar todos los valores
ruedas es su desempeo en terreno irregular. anteriormente mencionados.
Porque un robot con ruedas no es capaz de
sobrepasar un obstculo que tenga una altura
superior al radio de sus ruedas y la solucin
ms comn para este inconveniente es utilizar
ruedas ms grandes, que en cierto casos no es
una solucin prctica.

Las orugas o cadenas son una mejor opcin

para robots que se desempeen en ambientes Figura 2. Robot Serie ROVION
difciles porque las cadenas permiten al robot FUENTE: (Panatec, 2013)
superar obstculos relativamente mayores, la
ruedas no son aconsejables en estas Desarrollo
situaciones debido al dao que reciben del
entorno por piedras o arena. El principal Diseo Del Robot Para Inspeccin De Tubera
inconveniente de las cadenas es su ineficacia,
puesto que se produce deslizamiento sobre el
terreno al avanzar y al girar. Si la navegacin se ETAPA 1. CLARIFICAR Y DEFINIR LA TAREA
basa en el conocimiento del punto en que se
encuentra el robot y el clculo de posiciones Mtodo de Despliegue de la Casa de la Calidad
futuras sin error, entonces las cadenas (QFD)
acumulan tal cantidad de error que hace
inviable la navegacin por este sistema. En Requerimientos del Cliente
mayor o menor medida cualquiera de los
sistemas de locomocin adolece de este Tabla 1. Requerimientos del Cliente
problema.
N Requerimiento del Cliente
1 PAN y TILT de la cmara
Los robots con patas son mejores para superar
2 Robot de pequeas dimensiones
terrenos irregulares, pero su construccin 3 Buena autonoma
plantea gran cantidad de dificultades debido al 4 Comunicacin a gran distancia
gran nmero de grados de libertad que 5 Medir temperatura y presencia de gases
requieren estos sistemas. Los algoritmos 6 Control de velocidad del robot
7 Medicin distancia recorrida
necesarios para su control son altamente 8 Sistema fcil de utilizar
complicados por el alto grado de coordinacin 9 Bajo Costo
necesario para su movimiento.
Tabla 2. Caractersticas Tcnicas
Robots Para Inspeccin De Tubera
N Caractersticas Tcnicas
El robot para inspeccin de tubera ms 1 Dimensiones del Robot
2 Plataforma de soporte de la cmara.
comercializado a nivel mundial son los 3 Sistema de Alimentacin
ofrecidos por la empresa PANATEC 4 Protocolo de comunicacin
pertenecientes a la serie de robots ROVION 5 Sensores Externos
6 Control por PWM
(Figura 30) cuya horquilla de costos vara entre 7 Sensores Internos
los USD $47000 y USD $87000, esto sin contar 8 Interfaz Amigable con el Usuario
9 Costo de elementos
los costos de transporte y dems aranceles
 Leyenda:

D: Demanda
W: Deseo

ETAPA 2. DETERMINAR LAS FUNCIONES Y SUS

ESTRUCTURAS

La funcin principal del sistema se obtiene a

partir de las entradas y salidas del sistema para
la cual se usa el mtodo de la caja negra, para
el presente proyecto, ejemplificada en la
figura.

Figura 3. Despliegue Matriz QFD

Tabla de Especificaciones

Tabla 3. Especificaciones Tcnicas

Figura 4. Diagrama de la Caja Negra
# D/W Caracterstica Valores
1 D Largo 170mm -
250mm Identificacin de las funciones Secundarias
2 D Ancho 90mm - 120mm
3 D Alto 90mm - 120mm
4 D Peso < 2 kg
5 D Velocidad 0.1 m/s 0.2
m/s
6 D Distancia mnima de 36 m
operacin
7 D PAN Cmara 360
8 D TILT Cmara 90
9 D Resolucin Mnima 640x480 Figura 5. Funciones Secundarias
Pixeles.
10 D Cuadros por segundo 30 fps. Etapa 3. BUSCAR LOS PRINCIPIO DE
mnimos
11 D Longitud de cable 36 m SOLUCIN Y SUS VARIANTES
mnima
12 D Tiempo de 1 Hora Desarrollo de la Matriz Morfolgica
funcionamiento
mnimo
13 D Fuente de 12 v
alimentacin
vehculo
14 D Costo < $3000 USD.
15 D Interfaz amigable
con el usuario
16 W Buen Aspecto
17 D Fcil Reparacin
19 W Bajo impacto
ambiental
20 D Seguro
21 D Control manual y
automtico
Tabla 4. Solucin Principal Plataforma Base
Sub- Soluciones
Funciones 1 2
Equipos de Ordenador
Comando y (PC)
Visualizacin de
Estado
Circuitos de Comunicacin Comunicacin
Comunicacin mediante por RS-485
mdulos Xbee
Procesador Arduino Mega Arduino UNO
2560 Rev 3
Actuadores Motor DC Motor AC
Figura 6. Plataforma Base
Circuitos de Driver motor Driver motor
Potencia DC con DC con
circuito circuito
Plataforma Superior
integrado integrado
L298 L293
Sensores Sensor de Sensor de
Externos temperatura temperatura
LM35 y y humedad
sensor de gas DHT21 y
MQ-6 sensor de gas
MQ-9
Sensores Encoder por Encoder de
Internos Software Cuadratura
Visin Cmara de Cmara
Figura 7. Plataforma Superior
720p CCV y Boscam HD19
plataforma y plataforma
Alimentacin Bateras Bateras de Ensamblaje de Plataformas
Nquel y Polmero de
Cadmio Litio

ETAPA 4 DIVIDIR EN MDULOS REALIZABLES

Mdulo 1: Estructura mecnica

Plataforma Base
Plataforma Superior
Ensamble de Plataformas
Mdulo 2: Estructura electrnica
Diagrama del Circuito
Mdulo 3: Estructura de control
Diagrama de Flujo del
sistema
Figura 8. Ensamblaje de Plataformas
Control Manual
Control Automtico Mdulo 2: Estructura Electrnica

ETAPA 5: DESARROLLAR ESQUEMAS DE LOS

MDULOS PRINCIPALES

Mdulo 1: Estructura mecnica

Figura 9. Diagrama Electrnico

Mdulo 3: Estructura de Control ETAPA 6 COMPLETAR EL ESQUEMA
DEFINITIVO
Diagrama de Flujo del Sistema
Mdulo 1
Inicio

Configuracin de
Puertos

Lectura Sensor de
Temperatura y
Humedad
Lectura Encoder de
Cuadratura
Lectura Sensor
Ultrasnico

Lectura Sensor de
Gas

Adquisicin de
Video

NO
Control Manual? Control Automtico

SI

Operacin Operacin
Manual de Automtica de
Motores Motores

Cambiar SI Operacin
Posicin de la Servomotores PAN y
Cmara? TILT

NO

FIN

Figura 13. Ensamblaje Final

Figura 10. Diagrama de Flujo del Sistema
Mdulo 2

Tabla 5. Conexin Pines Arduino

Control Manual
Pin Arduino Mega Elemento
Operacin Manual
de Motores
Sensor Shield Conectado
10 (PWM) Enable A L298
Definir Velocidad de
los Motores
11 (PWM) Enable B L298
30 IN 1 L298
Var 31 IN 2 L298
CASO 1 CASO 2
CASO 3
CASO 4 CASO 5
32 IN 3 L298
Detenido Avance Retroceso Giro Izquierda Giro Derecha
33 IN 4 L298
52 IN 1 Rel 5 VDC
IN1=V IN1=V IN1=F IN1=V IN1=F
0 (RX0) 2 (R) SN75179B
1 (RX1)
IN2=V IN2=F IN2=V IN2=F IN2=V
IN3=V
IN4=V
IN3=F
IN4=V
IN3=V
IN4=F
IN3=V
IN4=F
IN3=F
IN4=V
3 (D)
34 Cable de Seal
Figura 11. Diagrama de Flujo Control Manual DHT21
A0 (ADC) AOUT Mdulo MQ-9
44 Trigger HC-SR04
45 Echo HC-SR04
Control Automtico 18 OUTA Encoder 1
19 OUTB Encoder 1
Operacin
Automtica de
Motores
20 OUTB Encoder 2
21 OUTA Encoder 2
Definir Velocidad de
los Motores

Mdulo 3
SI
Comenzar?

NO
NO Distancia
<
Valor

SI

Detenido Avance

IN1=V IN1=V
IN2=V IN2=F
IN3=V IN3=F
IN4=V IN4=V

Figura 12. Diagrama de Flujo Control Automtico

Figura 14. Pantalla HMI
Pruebas y Resultados metros necesarios para el diseo en
particular. Tratando el tema de
Resultado Final alimentacin, este cumple con los
requerimientos necesarios (mayor a 1
hora de operacin) superando los
requerimientos del cliente.
El sistema de control tanto manual
como automtico fueron evaluados en
el captulo 5, y como se explic en
dicho apartado, estos presentan una
desempeo exitoso para la
maniobrabilidad del robot de
inspeccin, pero presentan un
Figura 15. Imagen Robot para Inspeccin Visual de problema de un retardo en el envo y
Tubera recepcin de datos debido a la
longitud del cable, propio de todo
sistema teleoperado. Este factor no
Tabla 6. Resultados de la Evaluacin presenta mayores inconvenientes en
el funcionamiento normal del sistema
robotizado para inspeccin de tubera.
La interfaz HMI presenta practicidad y
simpleza, mostrando nicamente los
controles necesarios para la correcta
operacin por parte del usuario. Se lo
ha diseo pensando en un mtodo
intuitivo, sin complicaciones para el
operador, lo que result en un sistema
que cumple con los requisitos
esperados tanto en maniobrabilidad
como en facilidad de operacin. La
obtencin de imgenes se la realiz
mediante visin artificial, en este caso
el operador completa el lazo de
control identificando los problemas y
Conclusiones caractersticas a tomar en
consideracin dentro de la tubera.
Las dimensiones especficas Este proceso dio muy buenos
comprendidas en la parte mecnica resultados, pero a futuro se pretende
del robot para inspeccin de tubera aprovechar de mejor manera los
son acertadas para su trabajo dentro atributos que intervienen propios de la
de tuberas de dimetro de 8 plg. Se visin artificial, como el
prob tambin el robot en tuberas de reconocimiento mediante patrones,
10 plg. de dimetro. En la tabla 43. se colores, etc.
encuentra la mtrica total del robot En conclusin, como se explic en el
para inspeccin de tubera, las cuales captulo 5, las pruebas realizadas al
obtuvieron resultados positivos sistema robotizado para inspeccin de
avalando as, la funcionabilidad del tubera cumple con los requerimientos
mismo. del cliente adems logr un 60% de
La autonoma del robot refirindose a xito del total de la calificacin
comunicacin y envo de video, como cualitativa, superado por el Crawler
se explic en el captulo 5, Rovion RX130, propuesto para
tericamente alcanza una distancia de comparacin, quien obtuvo un 88% .
300 metros muy superior a los 36 Pero si comparamos precios, el
 sistema robotizado para inspeccin de
tubera se fabric por una fraccin del
precio del robot a importar,
mostrando as la importancia del
sistema.

Bibliografa

Cross, Nigel. (2005). Engineering Design

Methods: Strategies for Product
Design. Chippenham: Wiley.

Irene. (s.f.). Irene Robotica. Obtenido de

https://sites.google.com/site/irenero
botica/3-definicion-de-robot

ISO. (2011). International Organization for

Standardization. Obtenido de
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atalogue_tc/catalogue_detail.htm?cs
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Nuo, Emmanuel. (2004). Teleoperacin:

tcnicas, aplicaciones, entorno.
Barcelona, Espaa.

Panatec. (2013). Panatec. Obtenido de

http://www.panatec.net/agua/Robot-
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RIA. (2004). Robotics Industries Association.

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http://www.robotics.org/