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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
Trabalho desenvolvido
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)
FEUP – MIEM - SAIC 3/18 Maio de 2010
•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
Restrições Virtuais
1990’s
1996 – Passive Trajectory
Enhancing Robot (P-TER) (Book)
1995 - Collaborative Robot
(COBOT) (Peshkin e Colgate)
FEUP – MIEM - SAIC 4/18 Maio de 2010
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
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
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
FEUP – MIEM - SAIC 5/18 Maio de 2010
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
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
Cartesiano
3 graus de liberdade (GDL)
Transmissão: fuso e fêmea de esferas
Servomotores brushless AC
(comando em velocidade ou binário)
Robô
FEUP – MIEM - SAIC 6/18 Maio de 2010
Sensores de posição, aceleração e força
Arquitectura Host/Target PC
Sumário
Conceitos
Estadoda Arte
Objectivos
Equipamento
Controlo
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
FEUP – MIEM - SAIC 7/18 Maio de 2010
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
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
FEUP – MIEM - SAIC 8/18 Maio de 2010
Modelo do eixo
Modelo
físico
Modelo
Simulink
Modelo Simulink simplificado
(acoplamento ideal)
Sumário
Conceitos
Estadoda Arte
Objectivos
Equipamento
Controlo
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
FEUP – MIEM - SAIC 9/18 Maio de 2010
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
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
FEUP – MIEM - SAIC 10/18 Maio de 2010
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
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
FEUP – MIEM - SAIC 11/18 Maio de 2010
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
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
FEUP – MIEM - SAIC 12/18 Maio de 2010
Análise experimental
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
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
FEUP – MIEM - SAIC 13/18 Maio de 2010
Análise experimental
Comportamento
agradável, estável, sem
atraso na resposta
1 N = 8 mm/s
Sumário
Conceitos
Estadoda Arte
Objectivos
Equipamento
Controlo
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Excitação da estrutura
nos movimento bruscos
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
FEUP – MIEM - SAIC 14/18 Maio de 2010
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
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
FEUP – MIEM - SAIC 15/18 Maio de 2010
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
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
FEUP – MIEM - SAIC 16/18 Maio de 2010
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
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
FEUP – MIEM - SAIC 17/18 Maio de 2010
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
Restrições Virtuais
Trabalho desenvolvido
Sistema Robótico
Colaborativo usando
Restrições Virtuais
MUITO OBRIGADO PELA VOSSA ATENÇÃO!!!
QUESTÕES???
CONTACTOem05032@fe.up.pt
EXTENSÃO2147
FEUP – MIEM - SAIC 18/18 Maio de 2010
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