Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 1 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 Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 2 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

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 3 SISTEMA DI CONTROLLO Riferimenti di posizione e orientamento Retroazione di forza Postazione Aptica Manipolatore Antropomorfo Sistema di Telecontrollo Lato Master Lato Slave

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 4 Riferimenti di posizione e orientamento CONTROLLORE PID E FEED-FORWARD PIANIFICAZIONE DEL MOTO DEI GIUNTI Segnali di controllo per gli assi del robot RICEZIONE ED ELABORAZIONE COSTRUZIONE DELLA MATRICE DI ROTOTRASLAZIONE Feedback di forza per il master aptico Posizione istantanea degli assi Segnale di forza CINEMATICA INVERSA ELABORAZIONE E TRASMISSIONE GESTIONE DELLA COMUNICAZIONE VIA RETE GENERAZIONE DEI RIFERIMENTI DI POSIZIONE PER I GIUNTI CONTROLLO DINAMICO DEGLI ASSI Schema a blocchi del controllore lato slave Lo schema viene eseguito ciclicamente con una frequenza di aggiornamento pari a 1kHz

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 5 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 Server di rete Ricezione dei dati di posizione e orientamento generati dal master aptico e inviati dal server di rete Master aptico RETE INTERNET

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 6 Generazione dei riferimenti di posizione per i giunti Le fasi attraverso le quali l’operatore esegue la foratura possono essere distinte come di seguito: 1.movimentazione dell’utensile nei pressi della zona di lavoro 2.avvicinamento al punto di foratura 3.contatto dell’utensile con l’oggetto da forare 4.foratura 5.allontanamento Picco di forza Forza sull’utensile costante durante l’avanzamento Problematiche legate all’operazione di foratura

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 7 Introduzione di una funzione ritardante per i riferimenti di posizione

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 8 RiferimentiRiferimenti ritardati 1T 23T-T 2 36T-4T 2 +T 3 410T-10T 2 +5T 3 -T 4 515T-20T 2 +15T 3 -6T 4 +T 5 RiferimentiDifferenziale di posizione 11-T 22-3T+T T+4T 2 -T T+10T 2 -5T 3 +T T+20T 2 -15T 3 +6T 4 -T 5 Convergenza della funzione a regime

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 9 andamento del ritardo con T=0,3 Indice di ritardo

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 10 Matrice di rototraslazione e cinematica inversa  : angolo di imbardata  : angolo di beccheggio  : angolo di rollio z y x ZuZu x XuXu YuYu =            

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 11 Pianificazione del moto 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 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 Intervalli di pianificazione fissi pari a 20ms spline cubiche interpolanti i riferimenti di posizione e opportunamente raccordate tra un intervallo e il successivo Velocità finale = v m Posizione finale = ultimo riferimento presente all’interno della finestra temporale

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 12 Caratteristiche del pianificatore 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 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) 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) Arresti e ripartenze ad intervalli di tempo molto brevi con conseguente produzione di vibrazioni e notevole degrado del movimento complessivo POSIZIONE VELOCITA’ 100 campioni al secondo Intervallo di pianificazione: 20ms 100 campioni al secondo Intervallo di pianificazione: 5ms

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 13 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 Controllo di posizione +-+- PID rif di posiz.

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 14 Regolatore PID e compensazioni feed-forward 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

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 15 Test sperimentali Set-up utilizzato

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 16 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

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 17 Test sperimentali Inseguimento di una rampa di posizione Inseguimento di un riferimento di posizione a rampa con introduzione di ritardo

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 18 Test sperimentali foratura senza l’impiego dell’algoritmo di ritardo (m=0)

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 19 Test sperimentali foratura con l’impiego dell’algoritmo di ritardo (m=8)

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 20 Test sperimentali foratura con l’impiego dell’algoritmo di ritardo (m=16)

Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata XIX ciclo a.a /10/2005Presentazione dell’attività svolta durante il II° anno Dottorando: Nicola De Rossi 21 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