Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais 2ª. Apresentação Intercalar Fernando Manuel da Silva Ribeiro Orientadores: Prof. Dr. António Mendes Lopes Prof. Dr. Paulo Abreu Departamento de Engenharia Mecânica Secção de Automação, Instrumentação e Controlo 1/19 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 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 Trabalho desenvolvido 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 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) Restrição Virtual 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 FEUP – MIEM - SAIC 3/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido 1980’s 1985 – Impedance Control: An Approach to Manipulation, PhD. Neville Hogan, MIT 1990’s 1993 – Virtual Fixtures (Rosenberg) 1996 – Passive Trajectory Enhancing Robot (P-TER) (Book) 1995 - Collaborative Robot (COBOT) (Peshkin e Colgate) 2000’s Lokomat® da Hocoma ACROBOT® (Imperial College) FEUP – MIEM - SAIC 4/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido Desenvolvimento de uma estratégia de controlo de força/impedância num manipulador cartesiano 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 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. Este trabalho tem por objectivo o desenvolvimento de uma estratégia de controlo de força/impedância para a implementação de restrições virtuais no robô cartesiano disponibilizado.   Pretende-se assim que um operador possa controlar directamente e sem esforço, o elemento terminal, enquanto que o sistema robótico pode providenciar amplificação/ atenuação de força e restrições virtuais. O operador deve poder especificar quais as zonas o espaço de trabalho onde terá total liberdade de movimentos e as zonas onde o movimento do elemento terminal será restringido (guiado, dificultado ou proibido). O trabalho apresentará diversas tarefas, como a integração do transdutor de força no robô cartesiano, o desenvolvimento e implementação da estratégia de controlo, o desenvolvimento de uma interface de comando/supervisão, a definição de um programa experimental e a avaliação do desempenho do dispositivo. Do trabalho deverá assim resultar um protótipo, que poderá ser usado em demonstrações, bem como permitir a continuação da investigação na área deste tipo de controlo. O trabalho deverá assim aludir a uma possível aplicação prática deste tipo de tecnologias em outras áreas (cirúrgica, industrial, transportes…) Tarefas: Integração do transdutor de força no robô Desenvolvimento da estratégia de controlo Criação de uma interface de comando Avaliação do desempenho do dispositivo FEUP – MIEM - SAIC 5/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido Arquitectura Host/Target PC Robô Cartesiano 3 graus de liberdade (GDL) Servomotores brushless AC (comando em velocidade ou binário) Sensores de posição, aceleração e força Transmissão: fuso e fêmea de esferas FEUP – MIEM - SAIC 6/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido Máquina de estados - Stateflow Ferramenta do Matlab/Simulink que permite implementar um diagrama comportamental de todo o sistema robótico FEUP – MIEM - SAIC 7/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido Modelo do eixo Modelo físico Modelo Simulink Modelo Simulink simplificado (acoplamento ideal) FEUP – MIEM - SAIC 8/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido Controladores …de velocidade P… Zero da máquina …de posição PID… Trajectória linear 3D …de velocidade I-P ! Manipulação colaborativa FEUP – MIEM - SAIC 9/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido Anti-windup Windup, efeito causado pelo aumento do valor do erro que inutiliza o integrador por saturação Mesmo que o erro diminua a acção de controlo permanecerá saturada devido ao facto do sistema estar a integrar valores muito elevados Malha Anti-windup, efectua o “reset” do integrador O sistema é tanto mais rápido a sair do estado saturado quanto menor for a constante de tempo Tt. FEUP – MIEM - SAIC 10/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido Análise experimental 1 N = 1 mm/s Ruído de velocidade causado pela derivação do sinal de posição Comportamento pesado, estável, sensação de solidez FEUP – MIEM - SAIC 11/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido Análise experimental 1 N = 5 mm/s Zona morta na resposta do binário devido à existência de atritos, acoplamento e elevadas inércias Comportamento mais leve, estável, atraso na resposta FEUP – MIEM - SAIC 12/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido Análise experimental 1 N = 8 mm/s Comportamento agradável, estável, sem atraso na resposta Excitação da estrutura nos movimento bruscos FEUP – MIEM - SAIC 13/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido 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 FEUP – MIEM - SAIC 14/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido 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 FEUP – MIEM - SAIC 15/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido 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 FEUP – MIEM - SAIC 16/18 Maio de 2010

Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais Sumário Conceitos Estado da Arte Objectivos Equipamento Controlo Restrições Virtuais Trabalho desenvolvido Pesquisa do estado da arte. Familiarização com sistema de controlo do manipulador robótico cartesiano. Estudo do modelo físico dos eixos e dos controladores já implementados. Projecto mecânico do sistema para integração do transdutor de força e manípulo no elemento terminal do manipulador robótico cartesiano. 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 FEUP – MIEM - SAIC 17/18 Maio de 2010

MUITO OBRIGADO PELA VOSSA ATENÇÃO!!! Sistema Robótico Colaborativo usando Restrições Virtuais MUITO OBRIGADO PELA VOSSA ATENÇÃO!!! QUESTÕES??? CONTACTO em05032@fe.up.pt EXTENSÃO 2147 FEUP – MIEM - SAIC 18/18 Maio de 2010