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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Departamento de Engenharia MecânicaSecção de Automação, Instrumentação e Controlo 1/19 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais

Fernando Manuel da Silva Ribeiro

Orientadores:Prof. Dr. António Mendes LopesProf. Dr. Paulo Abreu

2ª. Apresentação Intercalar

FEUP – MIEM - SAIC 2/18 Maio de 2010

Sistema Robótico

Colaborativo usando

Restrições VirtuaisSumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo

RestriçõesVirtuais

TrabalhoDesenvolvido

Conceitos:• Sistema Colaborativo: Manipulação Colaborativa • Restrição virtual

Estado da Arte

Objectivos da dissertação

Trabalho desenvolvido

Equipamento

Estratégia de controlo• Máquina de estados - Stateflow• Modelo do eixo• Controladores• Anti-windup• Análise experimental

Restrições virtuais• Admitância• Isotropia Vs Anisotropia• Restrição virtual como lei de controlo• Restrições virtuais para alvos e trajectórias• Restrições virtuais para volumes

Sistema Robótico

Colaborativo usando

Restrições VirtuaisSumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo

Restrições Virtuais


Sistema Colaborativo: Manipulação Colaborativa O operador controla um só robô

Robô e operador coexistem no espaço de

trabalho

O operador mantém a cinestesia (sentido pelo

qual se tem a percepção dos membros e

movimentos corporais)


•Metáfora: é como uma régua, usada para guiar o lápis de modo a traçar

uma linha recta de forma rápida, precisa e sem esforço

•Existência de superfícies modeladas

(virtuais) que podem ter as propriedades das

superfícies reais

•Objectivos: impedir, ajudar ou dificultar a

movimentação do robô e do operador em

determinadas zonas

Restrição Virtual

Sistema Robótico

Colaborativo usando


1990’s

1996 – Passive Trajectory

Enhancing Robot (P-TER) (Book)

1995 - Collaborative Robot

(COBOT) (Peshkin e Colgate)


1993 – Virtual Fixtures (Rosenberg)

Lokomat® da Hocoma

ACROBOT® (Imperial College)

2000’s

1980’s1985 – Impedance Control: An Approach to

Manipulation, PhD. Neville Hogan, MIT

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando

Restrições VirtuaisDesenvolvimento de uma estratégia de controlo de força/impedância

num manipulador cartesiano

O operador deve poder controlar directamente e sem esforço o

elemento terminal


Especificação de tarefas definindo zonas do espaço onde o operador

terá total liberdade de movimentar o manipulador, sendo o movimento

restringido (guiado, dificultado ou proibido) noutras zonas do espaço

Implementação e teste de uma aplicação protótipo utilizando o robô

cartesiano disponível no Laboratório de Robótica.

Tarefas:Integração do transdutor de força no robôDesenvolvimento da estratégia de controloCriação de uma interface de comandoAvaliação do desempenho do dispositivo

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando


Cartesiano

3 graus de liberdade (GDL)

Transmissão: fuso e fêmea de esferas

Servomotores brushless AC

(comando em velocidade ou binário)

Robô


Sensores de posição, aceleração e força

Arquitectura Host/Target PC

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando



Máquina de estados - Stateflow

Ferramenta do Matlab/Simulink que permite implementar um diagrama

comportamental de todo o sistema robótico

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando



Modelo do eixo

Modelo

físico

Modelo

Simulink

Modelo Simulink simplificado

(acoplamento ideal)

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando



Controladores

…de velocidade P…•Zero da máquina

…de posição PID…•Trajectória linear 3D

…de velocidade I-P !•Manipulação colaborativa

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando



Anti-windup

Windup, efeito causado pelo aumento do valor do erro que inutiliza o

integrador por saturação

Malha Anti-windup, efectua o “reset” do integrador

Mesmo que o erro diminua a acção de controlo permanecerá

saturada devido ao facto do sistema estar a integrar valores muito

elevados

O sistema é tanto mais rápido a sair do estado saturado quanto menor

for a constante de tempo Tt.

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando



Análise experimental

Comportamento pesado, estável, sensação de solidez

Ruído de velocidade causado pela derivação do sinal de posição

1 N = 1 mm/s

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando




Comportamento mais leve, estável, atraso na resposta

Zona morta na resposta do binário devido à existência de atritos,

acoplamento e elevadas inércias

1 N = 5 mm/s

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando




Comportamento

agradável, estável, sem

atraso na resposta

1 N = 8 mm/s

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Excitação da estrutura

nos movimento bruscos

Sistema Robótico

Colaborativo usando



Admitância

O robô mede a força que o operador exerce sobre ele e reage com um

movimento (aceleração, velocidade, posição)

Isotropia vs Anisotropia

Isotropia - propriedade que caracteriza as substâncias que possuem as

mesmas propriedades físicas independentemente da direcção considerada

Anisotropia – propriedade que caracteriza as substâncias que possuem

propriedades diferentes dependento da direcção considerada

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando



Restrição virtual como lei de controloRelação força imposta velocidade

c é a admitância

Matriz de “direcções preferidas”

Operador projectado/matriz de

transformação (xx, xy, xz, … , zz)

Decomposição do vector força em duas

componentes (direcção preferencial,

direcção tangente)

…assim podemos voltar ao início!

Nova admitância para a direcção tangencial

Lei geral de controlo por admitância

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando



Restrições virtuais para alvos e trajectórias

Restrições virtuais para volumes

É necessário transpor a lei geral de controlo, sendo a admitância e o erro

funções definidas por troços

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando



Pesquisa do estado da arte.

Familiarização com sistema de controlo do manipulador robótico

cartesiano.

Projecto mecânico do sistema para integração do transdutor de força e

manípulo no elemento terminal do manipulador robótico cartesiano.

Estudo do modelo físico dos eixos e dos controladores já

implementados.

Implementação e teste do controlador de admitância (controlador de

velocidade I-P)

Tarefas:Implementação do algoritmo das restrições virtuaisCriação de uma interface de comandoAvaliação geral do desempenho do dispositivo

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo



Sistema Robótico

Colaborativo usando


MUITO OBRIGADO PELA VOSSA ATENÇÃO!!!

QUESTÕES???

[email protected]

EXTENSÃO2147


mailto:[email protected]

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