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Mestrado Integrado Engenharia Mecânica

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais

Fernando Manuel da Silva Ribeiro

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

3ª. Apresentação Intercalar

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

Disciplina de Dissertação 2009/2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições VirtuaisSumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo

Restrições Virtuais

TrabalhosFuturos

Estado da Arte

Objectivos da dissertação

Equipamento

Conceitos:• Sistema Colaborativo: Manipulação Colaborativa • Restrição virtual

Estratégia de controlo• Máquina de estados – Stateflow• Admitância• Controladores• Análise experimental

Restrições virtuais• Restrição virtual como lei de controlo• Implementação• Análise experimental

Trabalhos futuros• Trabalhos ainda em conclusão• Sugestões para trabalhos futuros

MIEM-SAIC 2/19 Junho de 2010



Sistema Colaborativo: Manipulação Colaborativa

Robô e operador coexistem no espaço de

trabalho

O operador tem uma percepção visual e motora

dos movimentos do robô

• Metáfora: é como uma régua, que guia o lápis para

traçar uma linha recta de forma rápida, precisa e sem

esforço

•Superfícies virtuais com propriedades de superfícies reais

•Objectivos: impedir, ajudar ou dificultar a movimentação do robô

Restrição Virtual

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos


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)

1985 – Impedance Control: An Approach to Manipulation, PhD. Neville Hogan, MIT

1990’s

2000’s

1980’s


COBOT/IAD (General Motors)

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos



Desenvolvimento de uma estratégia de controlo de admitância/impedância

num manipulador cartesiano

O operador deve poder controlar directamente e sem esforço o elemento

terminal

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

O operador deve poder definir o tipo de restrição virtual e os seus

parâmetros

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos



Robô cartesiano (desenvolvido na FEUP)3 graus de liberdade (GDL)

Servomotores brushless AC

(comando em velocidade ou binário)

Sensores de posição e aceleração

Transdutor de força JR3

(Device Driver desenvolvido na FEUP)

Arquitectura Host/Target

PC

Punho ergonómico

(desenvolvido na FEUP)

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos



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


TrabalhosFuturos



Admitância

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

movimento (aceleração, velocidade, posição)

Ideal para grandes massas, simulação de superfícies rígidas, eliminação de

efeitos de fricção

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos



Controladores

Modelo Simulink

simplificado

(acoplamento ideal)

Controlador de velocidade

P•Zero da máquina

Controlador de posição PID•Trajectória linear 3D

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos



Controladores

Controlador de velocidade

PID•Manipulação Colaborativa

Malha Anti-Windup

• Impede a saturação do integrador

• 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


TrabalhosFuturos



Análise experimental

Resposta ao degrau em espaço livre

Simulação Real

Outras observações

•Existência de uma zona morta na resposta em binário (≈3 N.m)

•Elevado ruído do sinal de feedback de velocidade (obtido por derivação da posição)

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos




Resposta em admitância

1 N = 1 mm/s


• Superfícies rígidas: forte aumento das forças de reacção porque é o ambiente a fechar a

malha

•Instabilidade para valores elevados do ganho de admitância

1 N = 5 mm/s

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos



Restrição virtual como lei do controlo

Referência de velocidade

Admitância geral

Projecção da força na direcção desejada

Projecção da força na direcção normal à direcção desejada

Admitância na direcção não desejadacτϵ[0,1]

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos



Implementação

Restrições virtuais para alvos e trajectórias

Restrições virtuais para volumes

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos




Simulação Real

Ponto Alvo 2D

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos




Simulação Real

Ponto Alvo 3D

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos




Simulação Real

Trajectória 3D

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos


•Erro de posição em relação à restrição virtual inferior a 1mm




Simulação Real

Tubo 3D

Observações•É necessária uma melhor compreensão dos parâmetros

•Ajuste de acordo com a resposta dos controladores de eixo

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos




Simulação Real

Cone

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos



Trabalhos ainda em conclusão

Conclusão do punho ergonómico e integração no sistema robótico

Testes para melhor compreensão dos parâmetros nas restrições do tipo tubo e

cone

Conclusão e revisão do relatório

Testes para compreensão da coordenação motora/visual do operador

Sugestões para trabalhos futuros

Integração dos vários tipos de restrição numa só aplicação

Criação de uma aplicação de controlo mais user-friendly

Melhorar o controlador de admitância (mais rápido, mais estável, sem

overshoot)

Integração de uma ferramenta de trabalho

Sumário

Conceitos

Estadoda Arte

Objectivos

Equipamento

Controlo


TrabalhosFuturos



MUITO OBRIGADO PELA VOSSA ATENÇÃO!!!

QUESTÕES???

[email protected]

EXTENSÃO2147

mailto:[email protected]

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