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Mestrado Integrado Engenharia Mecânica Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Fernando Manuel da Silva Ribeiro Orientadores: Prof. Dr.

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1 Mestrado Integrado Engenharia Mecânica Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Fernando Manuel da Silva Ribeiro Orientadores: Prof. Dr. António Mendes Lopes Prof. Dr. Paulo Abreu 3ª. Apresentação Intercalar Departamento de Engenharia Mecânica Secção de Automação, Instrumentação e Controlo 1/19 Junho de 2010 Disciplina de Dissertação 2009/2010

2 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros 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

3 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

4 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais 1996 – Passive Trajectory Enhancing Robot (P-TER) (Book) Collaborative Robot (COBOT) (Peshkin e Colgate) 1993 – Virtual Fixtures (Rosenberg) Lokomat® da HocomaACROBOT® (Imperial College) 1985 – Impedance Control: An Approach to Manipulation, PhD. Neville Hogan, MIT 1990s 2000s 1980s MIEM-SAIC 4/19 Junho de 2010 COBOT/IAD (General Motors) Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

5 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 robô Desenvolvimento da estratégia de controlo Criação de uma interface de comando Avaliação do desempenho do dispositivo O operador deve poder definir o tipo de restrição virtual e os seus parâmetros Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

6 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

7 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

8 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

9 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

10 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

11 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

12 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

13 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 desejada c τ ϵ[0,1] Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

14 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

15 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais MIEM-SAIC 15/19 Junho de 2010 Análise experimental SimulaçãoReal Ponto Alvo 2D Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

16 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais MIEM-SAIC 16/19 Junho de 2010 Análise experimental SimulaçãoReal Ponto Alvo 3D Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

17 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais MIEM-SAIC 17/19 Junho de 2010 Análise experimental SimulaçãoReal Trajectória 3D Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros Outras observações Erro de posição em relação à restrição virtual inferior a 1mm

18 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais MIEM-SAIC 18/19 Junho de 2010 Análise experimental SimulaçãoReal Tubo 3D Observações É necessária uma melhor compreensão dos parâmetros Ajuste de acordo com a resposta dos controladores de eixo Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

19 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais MIEM-SAIC 19/19 Junho de 2010 Análise experimental SimulaçãoReal Cone Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

20 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 Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalhos Futuros

21 Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais MIEM-SAIC 21/19 Junho de 2010 MUITO OBRIGADO PELA VOSSA ATENÇÃO!!! QUESTÕES??? CONTACTO EXTENSÃO 2147


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