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SEM0317 SEM0317 – Aula 8 Aula 8 Dinâmica de Manipuladores Dinâmica de Manipuladores Robóticos Robóticos Robóticos Robóticos Prof. Dr. Marcelo Becker Prof. Dr. Marcelo Becker EESC - USP

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SEM0317 SEM0317 –– Aula 8Aula 8

Dinâmica de Manipuladores Dinâmica de Manipuladores RobóticosRobóticosRobóticosRobóticos

Prof. Dr. Marcelo BeckerProf. Dr. Marcelo BeckerEESC - USP

•• IntroduçãoIntrodução

• Método Newton-Euler

• Método de Krane

Sumário da AulaSumário da Aula

• Método de Krane

• Exemplos de Aplicação

• Exercícios Recomendados

• Bibliografia Recomendada

EESC-USP © M. Becker 2008 2/77

IntroduçãoIntrodução• O porquê do uso de modelos dinâmicos em robótica:

EESC-USP © M. Becker 2008 3/77

IntroduçãoIntrodução• O porquê do uso de modelos dinâmicos em robótica:

EESC-USP © M. Becker 2008 4/77

IntroduçãoIntrodução

• Deseja-se compreender:– Torques e Forças (internos/externos)

• 2 problemas principais:– Dados deseja-se:θθθ &&&e, τ– Dados deseja-se:– Como o manipulador irá se movimentar

com a aplicação de ,ou seja, obter:

• Base: sistemas multi-corpos

θθθ &&&e, τ

τθθθ &&&e,

EESC-USP © M. Becker 2008 5/77

IntroduçãoIntrodução• Equações de Movimento...

),(),()( uqFuqVuqM =+&

),()( tqBqqAu += &

iam ⋅=∑F

ω×ω+α=τ∑ II

Formulação Mínima → G.D.L.Formulação Completa → Corpos

),()( tqBqqAu += &ω×ω+α=τ∑ II

EESC-USP © M. Becker 2008 6/77

IntroduçãoIntrodução• Descrição da Dinâmica...

Dinâmica Direta (Simulação)

Dados: Posições e Velocidades no instante inicial t0

Forças e Torques (F , τ) no instante inicial t0τ 0

Leis de Formação para F e τ quando t > t0

(Exemplo: Leis de Controle)Procura-se: Movimentos resultantes

(comportamento) para t > t0SOLUÇÃO

Integração das Equações de Movimento

Sist. de Equações Diferenciais

EESC-USP © M. Becker 2008 7/77

IntroduçãoIntrodução• Descrição da Dinâmica...

Dinâmica Inversa (Comando, Controle em Malha Aberta)

Dados: Movimentos desejados (posições, velocidades,acelerações) para t > t0Forças e Torques de contatoForças e Torques de contato

Procura-se: Forças e Torques nas articulações dos robôs

SOLUÇÃOResolução das

Equações de MovimentoSist. de Equações Algébricas

Planejador deTrajetorias

Sistema deControle

Robôτ

dθ&

dθ&&

θ

θ&

),(),()( uqFuqVuqM =+&

EESC-USP © M. Becker 2008 8/77

IntroduçãoIntrodução

• Métodos mais empregados em Robótica:– Newton-Euler (N-E)– Krane– Krane– Lagrange-Euler (L-E)– Equações Generalizadas de d’Alembert (D)

• Qual empregar?

EESC-USP © M. Becker 2008 9/77

IntroduçãoIntrodução

• Comparação (Fu et al., 1987): n - DoFs

Método L-E N-E D

Multiplicações128/3n

4 + 512/3n3 +

739/3n2 + 160/3n

132n13/6n

3 + 105/2n2 +

268/3n + 69739/3n2 + 160/3n

268/3n + 69

Adições98/3n

4 + 781/6n3 +

559/3n2 + 245/6n

111n - 44/3n

3 +44n3 + 146/3n

2 + 45n

Representação Cinemática

Matrizes Homogêneas 4x4

Matrizes de Rotação e Vetores

de Posição

Matrizes de Rotação e Vetores

de Posição

Equações de Movimento

Equações diferenciais

“closed-form”

Equações Recursivas

Equações diferenciais

“closed-form”

EESC-USP © M. Becker 2008 10/77

IntroduçãoIntrodução

• Comparação (Fu et al., 1987): 6 - DoFs

Método L-E N-E D

Multiplicações 101.348 792 2.963101.348 792 2.963

Adições 77.405 662 2.209

Representação Cinemática

Matrizes Homogêneas 4x4

Matrizes de Rotação e Vetores

de Posição

Matrizes de Rotação e Vetores

de Posição

Equações de Movimento

Equações diferenciais

“closed-form”

Equações Recursivas

Equações diferenciais

“closed-form”

EESC-USP © M. Becker 2008 11/77

IntroduçãoIntrodução• Prós e Contras...

– L-E: � Equações em uma forma bem estruturada;� Computacionalmente dispendiosas...

– N-E:– N-E:� Conjunto de Equações Recursivas;� Dificilmente empregadas para obter leis de

controle mais “avançadas”...

– D:�Equações em uma forma estruturada;� Computacionalmente dispendiosas...

EESC-USP © M. Becker 2008 12/77

Newton-Euler

• Cada corpo rígido é considerado separadamente• Quando da separação de cada corpo, as forças nos mancais

precisam ser introduzidas e posteriormente eliminadas.• O cálculo dos termos de inércia é feito através das

acelerações.

IntroduçãoIntrodução

acelerações.Lagrange-Euler

• O sistema é considerado por completo.• Forças que não produzem trabalho (forças nos mancais), não

precisam ser introduzidas.• O cálculo dos termos de inércia, através da derivada da

energia cinética é trabalhoso em sistemas grandes.• Alguns dos termos calculados, anulam-se posteriormente em

simplificações.

EESC-USP © M. Becker 2008 13/77

Métodos de Projeção - Kane

(Kane, T.R., Levinson, D.A.: "Dynamics: Theory and Application", McGraw-Hill, 1985)

• Trata o sistema como um todo.• Forças que não produzem trabalho (forças nos mancais), não

precisam ser introduzidas.

IntroduçãoIntrodução

precisam ser introduzidas.• Baseado no princípio das potências virtuais. Cálculo dos

termos inerciais através de acelerações e produtos escalares com velocidades parciais.

Outros Métodos de Projeção: destaque especial Manfred Hiller.

EESC-USP © M. Becker 2008 14/77

IntroduçãoIntrodução• Observações...

– É usual desconsiderar forças de Coriolis e Centrífugas para aumentar a velocidade de controladores de manipuladores.de controladores de manipuladores.

– Porém essas forças são significantes no cálculo dos torques das juntas a altas velocidades...

EESC-USP © M. Becker 2008 15/77

Possibilidades para o Controle

• Dedução das equações de movimento com o auxilio do computador

Atenção: Equações de movimento são difíceis de comparar.

IntroduçãoIntrodução

• Simulação das equações de movimento

Atenção: Equações de movimento são difíceis de comparar.

EESC-USP © M. Becker 2008 16/77

Software para análise de Sistemas MulticorposSoftware para análise de Sistemas MulticorposCaracterísticas importantes para diferenciar programasCaracterísticas importantes para diferenciar programas

Catalogo de critériosCatalogo de critérios

• Numérico / Simbólico • Com / sem solução das Equações (Simulação)• Abrangência das equações resultantes respectivamente

duração das Simulações• Capacidade para lidar com equações Lineares / Não-Lineares• Capacidade de Linearização• Equações de Vínculos gerados automaticamente / pelo

usuário• Equações de Vínculos gerados automaticamente / pelo

usuário• Dedução das Equações em modo interativo/ batch• Genérico / Específico para aplicações especiais• Somente corpos rígidos / corpos flexíveis• Forças internas disponíveis diretamente• Com / sem saídas e entradas gráficas• Equipamento necessário / Preço• Documentação e facilidade de ambientação e utilização• Manutenção, suporte técnico

EESC-USP © M. Becker 2008 17/77

Softwares de Interesse p/ Robôs Softwares de Interesse p/ Robôs (Sistemas Multicorpos)(Sistemas Multicorpos)

• Autolev (www.autolev.com)• MSC.ADAMS® (www.mscsoftware.com) • Matlab/Simulink (www.mathworks.com/products/matlab)• (www.cat.csiro.au/cmst/staff/pic/robot)• Matlab/SimMechanics• Matlab/SimMechanics

(www.mathworks.com/products/simmechanics)• Mathematica/TSI ProPac

(www.wolfram.com/products/applications/tsipropac)• Mathematica/Robotica (robot0.ge.uiuc.edu/~spong/Robotica)• Simpact• GraspIt (www1.cs.columbia.edu/~allen/GRASPIT)• Modellica (www.modellica.org)

EESC-USP © M. Becker 2008 18/77

Considerações sobre a construção de Considerações sobre a construção de Modelos para RobôsModelos para Robôs

Modelo + Simples (Possibilidades)• Desprezar acoplamentos entre parte dos corpos dos robôs• Desprezar termos de inércia em V(Q,U), considerando a matriz M(Q)• Exclusão de termos que se mantêm muito pequenos• Corpos como pontos ou barras delgadas (momento de inércia)

Compromisso: descrição mais exata possível e o esforço correspondente

Modelo + Completo (Possibilidades)• Considerar os atritos e as folgas• Mecanismos de transmissão de força como estruturas contendo

massas• Elasticidades locais (redutores)• Motores nos termos de inércia (inércia dos rotores e/ou efeitos

giroscópios)• Elos como estruturas elásticas contínuas• Comportamento de componentes não mecânicos (motor elétrico)• Ambiente externo, inclusão de contato

EESC-USP © M. Becker 2008 19/77

Auxilio de SoftwareAuxilio de SoftwareAnálise de Sistemas DinâmicosAnálise de Sistemas Dinâmicos

1. Construção do ModeloDescrição simplificada → modelo mecânico simplificado.“Apenas” as características de interesse do sistema real, porem da forma mais precisa possível.

2. Descrição MatemáticaFormulação matemática das relações e leis físicas.

Auxilio de Software

3. Determinação dos ParâmetrosDeterminação dos parâmetros (valores) através de medidas diretas ou de identificação no sistema real / experimental

4. Aquisição de InformaçõesInformação sobre movimentos, forças e energia. Representação na forma de tabelas, gráficos (2D / 3D, estáticos / dinâmicos)

5. InterpretaçãoConseqüências para a formulação construtiva, dimensionamento de atuadores ajuste dos controladores, carregamentos para FEM, etc ...

EESC-USP © M. Becker 2008 20/77

Simulação de Sistemas MulticorposSimulação de Sistemas MulticorposSimulação → Integração das E.d.M.Rotinas de Integração → Equações diferenciais de primeira ordem Representação de estados necessária a partir das E.d.M.

uqqJ

uqFuqVuqM

=

+−=

&

&

)(

),(),()(

=

q

uxVetor de estados

−=

=

uqJ

uqVuqFM

q

ux

1

1

)(

)),(),((

&

&&

=uqM &)(

No entanto: O calculo explicito de M-1 e de J-1 em cada passo de integração é ineficiente e desnecessário.

Melhor: Solução do sistema de equações lineares .... e = ... para a cada passo de integraçãoqqJ &)(

EESC-USP © M. Becker 2008 21/77

Composição do Modelo

Dedução das Equações deMovimento com auxilio do

Computador

Geração do Programa

Eng

enhe

iroA

utol

ev

Composição do Modelo

Dedução das Equações deMovimento com auxilio do

Computador

Geração do Programa

Eng

enhe

iroA

utol

ev

Manipulador simbólico especializado para:• Cinemática• Dedução de Equações de Movimento

para sistemas multicorpos pelo Método de Kane (por exemplo...)

Autolev

IntroduçãoIntrodução

Geração do Programade Simulação

Simulação dasEquações de Movimento

Representação Graficados Resultados

Mat

lab

/ CM

atla

b /

C /

Gnu

Plo

t

Geração do Programade Simulação

Simulação dasEquações de Movimento

Representação Graficados Resultados

Mat

lab

/ CM

atla

b /

C /

Gnu

Plo

t

Método de Kane (por exemplo...)• Geração automática de Programas de

Simulação (MatLab, C, ...)

EESC-USP © M. Becker 2008 22/77

Flexíbilidade • Corpos de Ligação (elos)• Articulações • Tecidos

Contatos e Colisões

Áreas de Pesquisa

IntroduçãoIntrodução

Extensão da Teoria Helicoidal

Solvers para tempo real (Hardware-in-the loop)

Modelagem do mundo externo

Dinâmica Reduzida com Simplificação do Modelo

EESC-USP © M. Becker 2008 23/77

•• IntroduçãoIntrodução

•• Método Método NewtonNewton--EulerEuler

• Método de Krane

Sumário da AulaSumário da Aula

• Método de Krane

• Exemplo de Aplicação

• Exercícios Recomendados

• Bibliografia Recomendada

EESC-USP © M. Becker 2008 24/77

Método NewtonMétodo Newton--EulerEuler

• “Produto final” do Método de Newton-Euler:

– Equações diferenciais de movimento– Equações diferenciais de movimento– Reações dinâmicas (forças e torques)

EESC-USP © M. Becker 2008 25/77

• Equacionamento:

Método NewtonMétodo Newton--EulerEuler

Massa total do link i.Posição do Centro de Massa do link i com relação ao sistema inercial.Posição do Centro de Massa do link i com relação à origem do sistema (x , y , z ).link i

(xi-1, yi-1, zi-1) →

i

i

i

s

r

m

relação à origem do sistema (xi, yi, zi).Origem do iésimo sistema de coordenadas comrelação ao iésimo -1 sistema.

Velocidade linear do Centro de Massa do link i

Aceleração linear do Centro de Massa do link i

Força externa total aplicada no centro de massa do link i.

x0y0

z0

link i

ri

link i-1

link i+1

si

pi*

pi

(xi, yi, zi)

→=

→=

i

ii

ii

i

i

F

dt

vda

dt

drv

p

s

*

EESC-USP © M. Becker 2008 26/77

• Equacionamento:

Método NewtonMétodo Newton--EulerEuler

Momento externo total aplicado no centro demassa do link i.

Matriz de inércia com relação ao sistema inercial.link i →

i

i

I

N

inercial.

Força exercida no link i pelo link i-1, no sistema(xi-1, yi-1, zi-1) para suportar o link i eos demais links “acima” dele.

Momento exercido no link i pelo link i-1, no sistema(xi-1, yi-1, zi-1).

x0y0

z0

link i

ri

link i-1

link i+1

si

pi*

pi

EESC-USP © M. Becker 2008 27/77

i

i

i

n

f

I

• Desconsiderando atritos viscosos nas juntas, tem-se:

Método NewtonMétodo Newton--EulerEuler

iiii

i amdt

vmdF ==

)(

)(Id ω

Onde:

EESC-USP © M. Becker 2008

)()(

iiiiiii

i IIdt

IdN ωωω

ω×+== &

+××+

×+×+

+××+×

=

−−

1

*

1

*

1

1

**

)(

)(2

)(

iiii

iiiiiii

iiiiii

i

vp

qzpqz

vpp

v

&

&&&&

&&

&

ωω

ωω

ωωω

28/77

• Com relação às forças e momentos externos exercidos no link i, tem-se:

E:

Método NewtonMétodo Newton--EulerEuler

1+−= iii ffF

111)()(

+−+×−−×−+−= iiiiiiii frpfrpnnN

• Essas equações podem ser rescritas na forma de equações recursivas pois:

EESC-USP © M. Becker 2008

1

*

11)(

+−+×−×−+−= iiiiiii fpFrpnn

iiii sppr +=− −

*

1

29/77

z0

link i

ri

link i-1

link i+1

si

pi*

pi• Assim:

Método NewtonMétodo Newton--EulerEuler

ppii--11

iiii sppr +=− −

*

1

x0y0

pi• Assim:

EESC-USP © M. Becker 2008

11 ++ +=+= iiiiii famfFf

iiiiiiii NFspfpnn +×++×+=++

)(*

1

*

1

30/77

• Finalmente:

Método NewtonMétodo Newton--EulerEuler

+

+

=

T

iii

T

i

i

qbzn &1

τ

EESC-USP © M. Becker 2008

11 ++ +=+= iiiiii famfFf

iiiiiiii NFspfpnn +×++×+= ++ )(*

1

*

1

+− iii

T

i qbzf &1

31/77

• Como aplicar?

– Equações Forward

Método NewtonMétodo Newton--EulerEuler

+

=

−)(

010

1

1

0

ii

i

i

i

i

i

qzRR

R

ω

ω

&

EESC-USP © M. Becker 2008

=

− )( 10

1

1

0

i

i

i

i

i

RR

R

ω

ω

×++

=

)(

))((

10

1

1

010

1

010

1

1

0

i

i

i

i

ii

i

ii

i

i

i

i

i

RR

qzRqzRR

R

ω

ωω

ω

&

&&&&

&

32/77

– Equações Forward

Método NewtonMétodo Newton--EulerEuler

( )( )

+

+××+×

−...

...)()()()()(

10

1

1

*

000

*

00

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

vRR

pRRRpRR ωωω

&

&

EESC-USP © M. Becker 2008

( )

××+

+×+

+×++=

−−−

)()()(...

...)()(2...

...)()()(

*

000

010

*

001101

0

i

i

i

i

i

i

ii

i

i

i

i

i

i

i

ii

i

ii

ii

i

pRRR

qzRR

pRRvRqzRvR

ωω

ω

ω

&

&&&&&

( ) i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

ivRsRRRsRRaR &&

0000000 )()()()()( +××+×= ωωω

33/77

– Equações Backward

Método NewtonMétodo Newton--EulerEuler

i

i

ii

i

i

i

i

iaRmfRRfR 010

1

10 )( += +

+

+

( )...)()(...

...)()(

*1

10

1*

0

1

10

1

10

iii

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

FRsRpR

fRpRnRRnR

+×++

+×+=

+

+

++

+

+

+

EESC-USP © M. Becker 2008

+

+

=

iii

iT

i

i

iii

iT

i

i

i

qbzRfR

qbzRnR

&

&

)()(

)()(

010

010

τ

( )))(()())((...

...)()(...

0

0

000

0

0

00

*

0

1

i

i

ii

i

i

i

i

i

ii

i

i

i

i

i

i

i

RRIRRRRIR

FRsRpR

ωωω ×++

+×+++

&

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• Equações Forward e Backward

– Em geral, as condições iniciais são:

Método Método NewtonNewton--EulerEuler

0000 === vωω &

EESC-USP © M. Becker 2008

( )Tzyx gggv ,,

0=&

35/77

•• IntroduçãoIntrodução

•• Método Método NewtonNewton--EulerEuler

•• Método de Método de KraneKrane

Sumário da AulaSumário da Aula

•• Método de Método de KraneKrane

• Exemplo de Aplicação

• Exercícios Recomendados

• Bibliografia Recomendada

EESC-USP © M. Becker 2008 36/77

Método de Método de KraneKrane

EESC-USP © M. Becker 2008 37/77

Método de Método de KraneKrane

EESC-USP © M. Becker 2008 38/77

1. Escolha n coordenadas generalizadas qr(r = 1,..., n),2. Escolha n velocidades generalizadas ur(r = 1,..., n),

),(),(1

tqbqtqau ri

r

i

rir +=∑=

&

Método de Método de KraneKraneNa forma de Algoritmo...

3. Velocidades angulares absolutas wA, wB, ...e as velocidades absolutas vA, vB,...

4. Tabela das velocidades angulares parciais (wA)r, (wB)r , ......e das velocidades parciais (vA)r, (vB)r , ... (r=1,...,n).

5. Acelerações angulares absolutas αA, αB, ... e acelerações absolutas aA, aB, ......

∑=

ω+ω=ωr

r

rErEE u1

0 )()( ∑=

+=r

r

rErEE vuvv1

0 )()(

EESC-USP © M. Becker 2008 39/77

6. Momentos inerciais (torques de inércia) TA*, TB* , ....

−−

113232)( III αωω

ω

ω

ω

ωω−

ω−ω

ωω−

+

α

α

α

−=

3

2

1

332313

232221

131211

12

13

23

3

2

1

332313

232221

131211

*

0

0

0

III

III

III

III

III

III

TE

Método de Método de KraneKrane

7. Contribuições (FA*)r, (FB*)r, ,...,

As n forças inerciais generalizadas Fr* do sistema completo são formadas pela adição das componentes de cada corpo:

−−

−−=

332121

221313

113232

*

)(

)(

III

IIITE

αωω

αωω

( ) nrTvamF rEErEEErE L,1)()(**

=ω⋅+⋅−=

L++= rBrAr FFF )()(***

EESC-USP © M. Becker 2008 40/77

8. Substituir forças ativas e momentos ativos por forças equivalentes FA, . FB,.. c/ linha de ação passando pelo centro de massa do corpo rígido e por momentos TA, . TB,..... (ou MA, MB)

9. As n forças ativas generalizadas Fr do sistema completo são formados

( ) nrTvFF rEErEErE L,1)()( =ω⋅+⋅=

Método de Método de KraneKrane

9. As n forças ativas generalizadas Fr do sistema completo são formados pelas contribuições dos diferentes membros:

As equações de movimento do sistema e (r = 1,...,n)

Com respeito à forma generalizada das equações de movimento introduzida anteriormente para sistemas multicorpos não-lineares, vale:

L++= rBrAr FFF )()( 0*

=+ rr FF

),()(*

*

1

uqVqM

F

F

n

+=

M ),(

1

uqF

F

F

n

=

M

EESC-USP © M. Becker 2008 41/77

•• IntroduçãoIntrodução

•• Método Método NewtonNewton--EulerEuler

•• Método de Método de KraneKrane

Sumário da AulaSumário da Aula

•• Método de Método de KraneKrane

•• Exemplo de AplicaçãoExemplo de Aplicação

• Exercícios Recomendados

• Bibliografia Recomendada

EESC-USP © M. Becker 2008 42/77

Exemplo de AplicaçãoExemplo de Aplicação

• Pêndulo duplo...

B*

EESC-USP © M. Becker 2008

Adept Cobra 600

SCARA Robot

n1

n2

a1

a2

b1b2

q1

q2

LA

L1

A*

LB

L2

43/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• Manipulador Planar de 2 DoFs com duas juntas de rotação

EESC-USP © M. Becker 2008 44/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• Matrizes de Transformação de Coordenadas (Rotação):

− 0

11sc

− 0

22sc

− 0

1212sc

EESC-USP © M. Becker 2008

=

100

0

0

11

11

1

0cs

sc

R

=

100

0

0

22

22

2

1cs

sc

R

=

100

0

0

1212

1212

2

1cs

sc

R

−=

100

0

0

22

22

1

2cs

sc

R

−=

100

0

0

11

11

1

0cs

sc

R

−=

100

0

0

1212

1212

2

1cs

sc

R

45/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• Assumindo as condições iniciais:

• Tem-se as equações forward, para i = 1:

e0000 === vωω & ( )Tygv 0,,0

0=&

• Tem-se as equações forward, para i = 1:

EESC-USP © M. Becker 2008

1111

11

1

0

0

1

0

0

100

0

0

θθ &&

=

−= cs

sc

)(1000

1

10

1 θωω &zRR +=

0000 === vωω &

46/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• Para i = 2:

0000 sc

)( 2010

1

1

2

20

2 θωω &zRRR +=

EESC-USP © M. Becker 2008

( )212122

22

1

0

0

1

0

0

1

0

0

100

0

0

θθθθ &&&& +

=

+

−= cs

sc

47/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• A aceleração angular das juntas de rotação, para i = 1:

11001000

1

10

1)1,0,0()( θθωθωω &&&&&&& T

zzRR =×++=

• Para i = 2:

EESC-USP © M. Becker 2008

1100100010

000 == ωω &

[ ] ( )212010

1

2010

1

1

2

20

2)1,0,0())(( θθθωθωω &&&&&&&&& +=×++=

TzRzRRR

48/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• A aceleração linear das juntas de rotação, para i = 1:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )00

1*

10

1

10

1

10

1*

10

1

10

1

10

1 vRpRRRpRRvR &&& +××+×= ωωω

EESC-USP © M. Becker 2008 49/77

+

×

×

+

×

=

00

0

1

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

1

111gc

gsll

θθθ &&&&

+

+−

=

0

11

1

2

1

gcl

gsl

θ

θ

&&

&

( )Tgv 0,,0

0=&

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• A aceleração linear das juntas de rotação, para i = 2:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )10

1

1

2*

20

2

20

2

20

2*

20

2

20

2

20

2vRRpRRRpRRvR &&& +××+×= ωωω

000

EESC-USP © M. Becker 2008 50/77

+

+−

−+

+

×

+

×

+

+

×

+

=

0100

0

0

...

...

0

00

0

0

0

0

00

0

11

1

2

1

22

22

212121

gcl

gsl

cs

sc

ll

θ

θ

θθθθθθ

&&

&

&&&&&&&&

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• A aceleração linear das juntas de rotação, para i = 2:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )10

1

1

2*

20

2

20

2

20

2*

20

2

20

2

20

2vRRpRRRpRRvR &&& +××+×= ωωω

EESC-USP © M. Becker 2008 51/77

( )( )

++++

+−−−−−

=

0

2

12

2

121221

1221

2

2

2

1

2

1212

gcscl

gscsl

θθθθ

θθθθθθ

&&&&&&&

&&&&&&&

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• A aceleração linear do centro de massa, para i = 1:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )10

1

10

1

10

1

10

1

10

1

10

1

10

1vRsRRRsRRaR && +××+×= ωωω

Onde:

EESC-USP © M. Becker 2008 52/77

=

02

12

1

1

1

1 ls

lc

s

=

−=

0

02

02

12

1

100

0

0

1

1

11

11

10

1

l

ls

lc

cs

sc

sR

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• A aceleração linear do centro de massa, para i = 1:

200

20 ll

EESC-USP © M. Becker 2008 53/77

+

+−

=

+

+−

+

+

×

×

+

×

=

02

2

0

...

...

0

02

00

0

02

1

0

11

1

2

1

11

1

2

1

11

110

1

gcl

gsl

gcl

gsl

aR

θ

θ

θ

θ

θθ

θ

&&

&

&&

&

&&

&&

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• A aceleração linear do centro de massa, para i = 2:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( )20

2

20

2

20

2

20

2

20

2

20

2

20

2vRsRRRsRRaR && +××+×= ωωω

Onde:

EESC-USP © M. Becker 2008 54/77

=

02

12

1

12

12

2 ls

lc

s

=

−=

0

02

02

12

1

100

0

0

12

12

1212

1212

20

2

l

ls

lc

cs

sc

sR

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• A aceleração linear do centro de massa, para i = 2:

+

×

×

+

×

=2

002

02

ll

EESC-USP © M. Becker 2008 55/77

( )( )

++++

+−−−−

+

+

×

+

×

+

+

×

+

=

0

2

...

...

0

02

00

0

02

0

12

2

121221

1221

2

2

2

1

2

1212

212121

20

2

gcscl

gscsl

aR

θθθθ

θθθθθθ

θθθθθθ

&&&&&&&

&&&&&&&

&&&&&&&&

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• A aceleração linear do centro de massa, para i = 2:

200

20 ll

EESC-USP © M. Becker 2008 56/77

( )( )

++++

+−−−−

+

+

×

+

×

+

+

×

+

=

0

2121

2121

...

...

0

02

0

0

0

0

0

02

0

0

12

2

121221

1221

2

2

2

1

2

1212

212121

20

2

gcscl

gscsl

aR

θθθθ

θθθθθθ

θθθθθθ

&&&&&&&

&&&&&&&

&&&&&&&&

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• Tem-se as equações backward para i = 1, 2 e sem carregamento externo:

• A força exercida no link, para i = 2: • A força exercida no link, para i = 2:

EESC-USP © M. Becker 2008 57/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• Para i = 1:

EESC-USP © M. Becker 2008 58/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• O momento no link, para i = 2:

Onde:Onde:

EESC-USP © M. Becker 2008 59/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• O momento no link, para i = 2:

EESC-USP © M. Becker 2008 60/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• O momento no link, para i = 2:

EESC-USP © M. Becker 2008 61/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• O momento no link, para i = 1:

Onde:Onde:

EESC-USP © M. Becker 2008 62/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• O momento no link, para i = 1:

EESC-USP © M. Becker 2008 63/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• E finalmente o torque em cada link, para i = 2, b2 = 0 :

EESC-USP © M. Becker 2008 64/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --11

• Para i = 1, b1 = 0:

EESC-USP © M. Becker 2008 65/77

B*

B

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --22

n1

n2

a1

a2

b1b2

q1

q2

LA

L1

A*

LB

L2

EESC-USP © M. Becker 2008 66/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --22

EESC-USP © M. Becker 2008 67/77

ur

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --22

EESC-USP © M. Becker 2008 68/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --22

EESC-USP © M. Becker 2008 69/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --22

),(),()( uqFuqVuqM =+&

0*

=+ rr FF

EESC-USP © M. Becker 2008 70/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --22

EESC-USP © M. Becker 2008 71/77

Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação --22

EESC-USP © M. Becker 2008 72/77

•• IntroduçãoIntrodução

•• Método Método NewtonNewton--EulerEuler

•• Método de Método de KraneKrane

Sumário da AulaSumário da Aula

•• Método de Método de KraneKrane

•• Exemplo de AplicaçãoExemplo de Aplicação

•• Exercícios RecomendadosExercícios Recomendados

• Bibliografia Recomendada

EESC-USP © M. Becker 2008 73/77

Exercícios RecomendadosExercícios Recomendados

• Exercícios Recomendados:– Livro do Craig (2005): pp. 194-200

– Grupo de 5 alunos:

• Tarefa extra...

EESC-USP © M. Becker 2008 74/77

Tarefa extra-aula:Desenvolva as Equações de Movimento para odedo de robô da figura abaixo:

EESC-USP © M. Becker 2008 75/77

•• IntroduçãoIntrodução

•• Método Método NewtonNewton--EulerEuler

•• Método de Método de KraneKrane

Sumário da AulaSumário da Aula

•• Método de Método de KraneKrane

•• Exemplo de AplicaçãoExemplo de Aplicação

•• Exercícios RecomendadosExercícios Recomendados

•• Bibliografia RecomendadaBibliografia Recomendada

EESC-USP © M. Becker 2008 76/77

Bibliografia RecomendadaBibliografia Recomendada

• Santos, I.F., 2001, Dinâmica de Sistemas Mecânicos: Modelagem, Simulação, Visualização e Verificação, Makron Books, ISBN 85-346-1110-6.

• Fu, K.S., Gonzales, R.C., and Lee, C.S.G., 1987, Robotics: Control, Sensing, Vision, and Intelligence –Robotics: Control, Sensing, Vision, and Intelligence –Capítulo 3, McGraw-Hill Int. Editions, ISBN 0-07-100421-1.

• Craig, J.C., 2005, Introduction to Robotics: Mechanics and Control – Capítulo 6, 3rd Edition, Pearson Education Inc., ISBN 0-201-54361-3

EESC-USP © M. Becker 2008 77/77