versione - Meccanica Applicata e Robotica Industriale Applied
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Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Titolo Evoluzione di un Sistema Robotico Comandato Mediante Telemanipolazione e Retroazionato in Posizione e Forza Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata XIX° ciclo a.a. 2003-2004 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 19/10/2005 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 1 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Obiettivi Obiettivo del progetto è quello di mettere in grado un robot industriale di funzionare come operatore remoto in un’applicazione di telemanipolazione con retroazione di forza Il manipolatore è costituito da un robot avente struttura antropomorfa dotato, all’estremità del polso sferico, di un utensile in grado di praticare piccoli fori e di un sensore estensimetrico per la misurazione della forza istantanea lungo l’asse di foratura I riferimenti di posizione e orientamento per il manipolatore vengono generati attraverso un’interfaccia aptica costituita da un joystick a cinque gradi di libertà la quale ha anche il compito di riprodurre verso l’operatore la retroazione di forza Il master aptico ed il manipolatore si trovano fisicamente in luoghi distinti e remoti e comunicano attraverso la rete internet 19/10/2005 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 2 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Sistema di Telecontrollo Lato Slave Lato Master Riferimenti di posizione e orientamento SISTEMA DI CONTROLLO Postazione Aptica 19/10/2005 Retroazione di forza Manipolatore Antropomorfo Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 3 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 GESTIONE DELLA COMUNICAZIONE VIA RETE Feedback di forza per il master aptico ELABORAZIONE E TRASMISSIONE Riferimenti di posizione e orientamento RICEZIONE ED ELABORAZIONE Schema a blocchi del controllore lato slave Lo schema viene eseguito ciclicamente con una frequenza di aggiornamento pari a 1kHz Segnale di forza GENERAZIONE DEI RIFERIMENTI DI POSIZIONE PER I GIUNTI COSTRUZIONE DELLA MATRICE DI ROTOTRASLAZIONE CINEMATICA INVERSA CONTROLLO DINAMICO DEGLI ASSI PIANIFICAZIONE DEL MOTO DEI GIUNTI CONTROLLORE PID E FEED-FORWARD Segnali di controllo per gli assi del robot Posizione istantanea degli assi 19/10/2005 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 4 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Gestione della comunicazione lato slave Controllore real-time lato slave Trasmissione del dato di forza e richiesta dei dati di posizione e orientamento generati dal master aptico Ricezione dei dati di posizione e orientamento generati dal master aptico e inviati dal server di rete RETE INTERNET Server di rete 19/10/2005 Master aptico Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 5 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Generazione dei riferimenti di posizione per i giunti Problematiche legate all’operazione di foratura Le fasi attraverso le quali l’operatore esegue la foratura possono essere distinte come di seguito: 1. 2. 3. 4. 5. movimentazione dell’utensile nei pressi della zona di lavoro avvicinamento al punto di foratura contatto dell’utensile con l’oggetto da forare foratura allontanamento Forza sull’utensile costante durante l’avanzamento 19/10/2005 Picco di forza Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 6 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Introduzione di una funzione ritardante per i riferimenti di posizione * R R i 1 Ri* Ri*1 i ti ti 1 f 0 f t i t i 1 ti ti 1 ti ( f ) f (t )t Ri ti 1 Fmax Ri* ti f (t )t ti1 * * * Ri Ri 1 ( Ri Ri 1 ) 1 Fmax ti ti 1 ti f (t ) t ti 1 Fmax t i t i1 t i 1 19/10/2005 t Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi ti 7 Università degli Studi di Padova Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Facoltà di Ingegneria Convergenza della funzione a regime ti f ( t ) t ti 1 1 T costante Fmax ti ti 1 R R * i * i 1 ( Ri R ) T * i 1 Riferimenti Differenziale di posizione 1 1-T 2 2-3T+T2 3 3-6T+4T2-T3 4 4-10T+10T2 -5T3+T4 5 5-15T+20T2 -15T3+6T4-T5 19/10/2005 Riferimenti Riferimenti ritardati 1 T 2 3T-T2 3 6T-4T2+T3 4 10T-10T2 +5T3-T4 5 15T-20T2 +15T3-6T4+T5 n 1 T n 1 S 1T 1T 1 1 1 (1 T ) T T Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 8 Università degli Studi di Padova Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Facoltà di Ingegneria Indice di ritardo Andam ento del ritardo nel tem po con forza costante 1 S m 1 T 2,5 2 m 1 ritardo 1,5 Ritardo a regime al variare di T e per diversi valori di "m" 1 100 0,5 90 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 tem po andamento del ritardo con T=0,3 14 15 16 ritardo a regime 80 0 17 70 18 60 50 40 30 20 10 0 0 0,5 1 1,5 T m=1 19/10/2005 m=2 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi m=4 9 Università degli Studi di Padova Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Facoltà di Ingegneria Matrice di rototraslazione e cinematica inversa R CARDANO c c c s s s c c s c s s cos( xx) cos( xy ) cos( xz ) R z ( )R y ( )R x ( ) s c s s s c c s s c c s cos( yx) cos( yy ) cos( yz ) s cos( zx) cos( zy ) cos( zz ) c s c c : angolo di imbardata q: angolo di beccheggio : angolo di rollio 0 asin (cos( yz )) a tan 2cos( xz), cos( zz ) cos( zz ) 0 z X u Y u Z u y x x 19/10/2005 cos( zz ) 0 0 * * * R 6, 0 * * 0 0 x * y * z 0 1 * = [T3,O ] [T6,3 ) q1 q2 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi q3 q4 q5 q6 10 Università degli Studi di Padova Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Facoltà di Ingegneria Pianificazione del moto • • • Pianificazione nello spazio dei giunti (cinematica inversa prima della pianificazione del moto) I riferimenti di posizione da raggiungere non sono noti a priori Gli intervalli temporali tra i riferimenti sono variabili in maniera casuale e piuttosto ampia a causa del transito dei pacchetti di dati attraverso la rete internet PIANIFICAZIONE DEL MOTO Intervalli di pianificazione fissi pari a 20ms Caratteristiche dinamiche del sistema di generazione dei riferimenti (interfaccia aptica) • Caratteristiche dinamiche del manipolatore • Caratteristiche del mezzo di trasmissione dei dati dal master aptico al manipolatore 1 20 Ri Ri 1 vm 20 i 1 ti 14 13 12 14 11 13 10 12 9 11 8 10 7 9 6 8 5 7 4 6 3 5 12 2 4 3 1 3 12 2 Posizione [x10-3 rad] 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Posizione [x10-3 rad] Posizione [x10-3 rad] • • • Velocità finale = vm 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tempo [ms] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tempo [ms] 1 1 2 3 4 5 6 7 19/10/2005 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tempo [ms] • Posizione finale = ultimo riferimento presente all’interno della finestra temporale Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi • spline cubiche interpolanti i riferimenti di posizione e opportunamente raccordate tra un intervallo e il successivo 11 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Caratteristiche del pianificatore • Tempo minimo di azionamento costante e pari a 20 millisecondi. Il giunto più “lento” deve raggiungere la posizione finale pianificata entro tale intervallo di tempo (velocità ed accelerazioni degli assi sempre al di sotto di quelle massime raggiungibili) • Introduzione di un ritardo che varia da un minimo di 20 ad un massimo di 40 millisecondi a seconda dell’istante in cui arriva l’ultimo pacchetto all’interno della generica finestra temporale • Riducendo l’intervallo di pianificazione si riduce l’entità del ritardo introdotto ma aumenta la probabilità di avere vuoti informativi (mancanza del riferimento di posizione all’interno della generica finestra temporale) POSIZIONE VELOCITA’ • Arresti e ripartenze ad intervalli di tempo molto brevi con conseguente produzione di vibrazioni e notevole degrado del movimento complessivo • • • 19/10/2005 100 campioni al secondo Intervallo di pianificazione: 20ms 100 campioni al secondo Intervallo di pianificazione: 5ms Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 12 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Controllo di posizione • Controllore decentralizzato: ogni asse viene controllato come un sistema ad un ingresso ed una uscita • Ciascun giunto è controllato in velocità ossia la velocità di rotazione dei motori risulta proporzionale alla tensione di comando presente in ingresso all’azionamento Anello di velocità Retroazione di posizione PID + - rif di posiz. 19/10/2005 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 13 Università degli Studi di Padova Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Facoltà di Ingegneria Regolatore PID e compensazioni feed-forward 2 double (6) Enc 6 6 double (6) U U(E) 18 double (6) 6 In1uscita_pid double (6) Selector2 PID 6 1 double (18) qd pos,vel,acc U U(E) 18 double (6) U U(E) double (6) double (6) 6 double (6) -KFFW acc Selector double -K- guadagno proporzionale 1 double double I double i1 double double double s In_1 Integrale guadagno integrale saturazione Sum desaturazione double double -K- D.s double d1 double 1/Ns+1 derivata filtrata 19/10/2005 1 rif_vel FFW vel Selector1 18 double (6) -K- guadagno derivativo 1 Out_1 • Il ramo integrale presenta una catena di anti wind-up che ha la funzione di limitare il contributo del guadagno durante le fasi di transitorio • Il calcolo della derivata dell’errore viene preceduto da un filtro passa-basso a 10 Hz che ha la funzione di ridurre gli effetti dei disturbi elettrici presenti sul canale encoder Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 14 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Test sperimentali Set-up utilizzato 19/10/2005 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 15 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Test sperimentali Inseguimento di un riferimento di posizione sinusoidale Riferimento di posizione: sinusoide lungo un asse cartesiano (asse Z) Ampiezza: 10mm Frequenza: 0.5 rad/s 19/10/2005 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 16 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Test sperimentali Inseguimento di una rampa di posizione Inseguimento di un riferimento di posizione a rampa con introduzione di ritardo 19/10/2005 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 17 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Test sperimentali foratura senza l’impiego dell’algoritmo di ritardo (m=0) 19/10/2005 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 18 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Test sperimentali foratura con l’impiego dell’algoritmo di ritardo (m=8) 19/10/2005 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 19 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Test sperimentali foratura con l’impiego dell’algoritmo di ritardo (m=16) 19/10/2005 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 20 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a. 2003-04 Fasi da sviluppare nel corso dell’ultimo anno 1. Completamento dei test sperimentali in remoto con e senza l’impiego della funzione ritardante al fine di testare l’affidabilità complessiva del sistema di telemanipolazione 2. Progettazione e realizzazione di un prototipo di ambiente reale non strutturato 3. Esecuzione di intervento chirurgico su fantoccio 19/10/2005 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 21
