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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Departamento de Engenharia Mecânica Secção de Automação, Instrumentação e Controlo 1/19 Maio de 2010 Sistema.

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1 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Departamento de Engenharia Mecânica Secção 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 Lopes Prof. Dr. Paulo Abreu 2ª. Apresentação Intercalar

2 FEUP – MIEM - SAIC 2/18 Maio de 2010 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho Desenvolvido 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

3 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da 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

4 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais 1990s 1996 – Passive Trajectory Enhancing Robot (P-TER) (Book) Collaborative Robot (COBOT) (Peshkin e Colgate) FEUP – MIEM - SAIC 4/18 Maio de – Virtual Fixtures (Rosenberg) Lokomat® da Hocoma ACROBOT® (Imperial College) 2000s 1980s 1985 – Impedance Control: An Approach to Manipulation, PhD. Neville Hogan, MIT Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

5 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Desenvolvimento 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 robô Desenvolvimento da estratégia de controlo Criação de uma interface de comando Avaliação do desempenho do dispositivo Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

6 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

7 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

8 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

9 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

10 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

11 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

12 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

13 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido Excitação da estrutura nos movimento bruscos

14 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

15 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais FEUP – MIEM - SAIC 15/18 Maio de 2010 Restrição virtual como lei de controlo Relação 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

16 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

17 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 virtuais Criação de uma interface de comando Avaliação geral do desempenho do dispositivo Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido

18 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais MUITO OBRIGADO PELA VOSSA ATENÇÃO!!! QUESTÕES??? CONTACTO EXTENSÃO 2147 FEUP – MIEM - SAIC 18/18 Maio de 2010


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