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
MIEM-SAIC 3/19 Junho de 2010
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
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
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
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
MIEM-SAIC 4/19 Junho de 2010
COBOT/IAD (General Motors)
Sumário
Conceitos
Estadoda Arte
Objectivos
Equipamento
Controlo
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 5/19 Junho de 2010
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
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 6/19 Junho de 2010
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
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 7/19 Junho 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
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 8/19 Junho de 2010
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
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 9/19 Junho de 2010
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
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 10/19 Junho de 2010
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
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 11/19 Junho de 2010
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
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 12/19 Junho de 2010
Análise experimental
Resposta em admitância
1 N = 1 mm/s
Outras observações
• 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
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 13/19 Junho de 2010
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
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 14/19 Junho de 2010
Implementação
Restrições virtuais para alvos e trajectórias
Restrições virtuais para volumes
Sumário
Conceitos
Estadoda Arte
Objectivos
Equipamento
Controlo
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 15/19 Junho de 2010
Análise experimental
Simulação Real
Ponto Alvo 2D
Sumário
Conceitos
Estadoda Arte
Objectivos
Equipamento
Controlo
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 16/19 Junho de 2010
Análise experimental
Simulação Real
Ponto Alvo 3D
Sumário
Conceitos
Estadoda Arte
Objectivos
Equipamento
Controlo
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 17/19 Junho de 2010
Análise experimental
Simulação Real
Trajectória 3D
Sumário
Conceitos
Estadoda Arte
Objectivos
Equipamento
Controlo
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Outras observações
•Erro de posição em relação à restrição virtual inferior a 1mm
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 18/19 Junho de 2010
Análise experimental
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
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 19/19 Junho de 2010
Análise experimental
Simulação Real
Cone
Sumário
Conceitos
Estadoda Arte
Objectivos
Equipamento
Controlo
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 20/19 Junho de 2010
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
Restrições Virtuais
TrabalhosFuturos
Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais
MIEM-SAIC 21/19 Junho de 2010
MUITO OBRIGADO PELA VOSSA ATENÇÃO!!!
QUESTÕES???
EXTENSÃO2147
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