Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno Comportamento Dinamico di Manipolatori Interagenti con l’Ambiente.

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1 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno Comportamento Dinamico di Manipolatori Interagenti con l’Ambiente Progetto svolto in collaborazione con ITIA-CNR (sede di Milano Progetto svolto in collaborazione con ITIA-CNR (sede di Milano) Tutor: Prof. Giovanni Legnani Dottorando: Nicola Pedrocchi

2 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno Moto nello Spazio Libero Posizione – Velocità – Accelerazione Traiettoria … Moto in Interazione con l’Ambiente Direzioni in cui il moto è vincolato; Direzioni di moto libero; Modellazione dell’interazione Ambiente DESTRUTTURATO ROBOT & INTERAZIONE End- effector Pezzo da contornare n t TASK FRAME (De Schutter- Mason)

3 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno FOCUS DEL PROGETTO Task:  Assemblaggio  Contornatura  Lavorazioni superficiali  Calibrazione  Robot guidance ... Finalità:  Studio del comportamento dinamico dei Robot  Realizzazione di un SW di controllo RISULTATI del I e del II ANNO Approfondita la teoria del controllo attraverso la simulazione di differenti task Progettato e sviluppato un SW di controllo per Robot interagenti con l’ambiente

4 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno Tempo Dedicato  Studio del comportamento dinamico dei robot nelle fasi di interazione  Analizzati e proposti nuovi algoritmi di controllo basati sul modello del robot  REALIZZAZIONE di un SW di controllo  Ri-definita l’architettura ed integrati nuovi moduli sw FOCUS DEL III ANNO 60% 40%

5 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno CRANK TURNING CONTOUR TRACKING t n DIREZIONE di CONTROLLO IN FORZA DIREZIONE di CONTROLLO in VELOCITA’ CONTROLLO IBRIDO FORZA/VELOCITA Craig (1981) Contour Tracking Crank Turning n t

6 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno IN LETTERATURA CONTROLLO IBRIDO IMPLICITO: Il controllore di Velocità e Forza determina i riferimenti per un anello di posizione interno. CONTROLLO IN POSIZIONE - PP P0P0 F VtVt P CONTROLLO IBRIDO ESPLICITO: Il controllore di Velocità e Forza controlla direttamente i motori tramite lo jacobiano - Robot VtVt FnFn

7 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno ROBOT & MOTO VINCOLATO Modello semplificato di robot che interagisce con l’ambiente Sistema robotico: Rigidezza equivalente VARIABILE Massa equivalente VARIABILE Funzione di: posizione direzione della forza

8 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno cedevolezza Motor 1 Motor 2 Motors 3/4 F SS (A) RIGIDEZZA : TEORICAMENTE variabile PRATICAMENTE la cedevolezza si concentra nell’end-effector F {ee} =K s{ee}  S {ee} K s{ee} COSTANTE OSS: F {0} =K s{0} (s)  S {0} K s{0} = R 0,ee (s) K s{ee} R ee,0 (s) {ee} ROBOT & MOTO VINCOLATO

9 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno I poli del sistema migrano all’aumentare della massa (B) MASSA: m eq,n = n T M s (s) n m eq,u = u T M s (s) u m eq = 1/(n T M s -T M s -1 n) 0.5 f =M s (s) a f = f n a = a u ROBOT & MOTO VINCOLATO

10 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno CONSIDERAZIONI Il recupero dei giochi nei giunti causa errori notevoli per il valore della forza al contatto Corrispondenza tra OSCILLAZIONI e MASSA EQUIVALENTE manipolatore

11 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno COMPENSAZIONE DINAMICA Robot interacting with the environment J T M 0T q PID PI M TO F F N FN0FN0 VT0VT0 a T =dV T /dt a N =V T d  /dt M TO J VTVT Dynamic Model  d/dt PRO: linearizzazione rigorosa del sistema al variare della configurazione CONTRO: necessita dell’accelerazione NON È NOTA A PRIORI

12 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno CRANK TURNING SISTEMA BASE DA CUI SI E’ PARTITI -Compensazione attriti ai giunti -Gain Scheduling Vmax = 16 cm/s Fmax = 58 N OTTIMIZZAZIONE -Affiniamento stima dell’angolo di contatto  Vmax = 28 cm/s + 75 % -Compensazione dinamica   Vmax = 50 cm/s + 310 % -Affinamento della compensazione dinamica   -Alla velocità V = 16 cm/s la forza di contatto Fmax = 8 N con un – 86% Vmax = 67 cm/s +415 % POSIZIONE LUNGHEZZA INCOGNITI

13 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno Regolatore proporzionale DISACCOPPIMENTO u f = f n a f = a u - Robot FnFn errore di forza e f Accelerazione a f dirette anche lungo la direzione in cui si controlla la velocità Deformazione  S f ANELLO IN FORZA: Comando in forza u f u f = f n  S f =  s u MsMs KsKs Comando in forza u f

14 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno CONTROLLO IBRIDO DISACCOPPIATO CONTROLLO IBRIDO DISACCOPPIATO ESPLICITO: Il controllore di Velocità e Forza determina i riferimenti attraverso regolatori MATRICIALI a TERMINI VARIABILI in funzione della configurazione Robot System Constrained Dynamics J(q) K v p d q /dt F (0) u V PD V 0 V ( T ) K d d/dt F ( T ) u env V rel ( T ) q A ( T )  T 0 - R 0 T ( ) u F P F 0 K F fwd K F p u F u reg u comp R 0 T ( ) d/dt V (0) C ( T ) Estimation curvature radius Environment terms u robot d/dt d /dt  u F PD

15 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno CONTOUR TRACKING

16 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno CONTOUR TRACKING

17 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno OBIETTIVI del SOFTWARE Visione Lavorazioni superficiali Chirurgia Interfacce aptiche Riabilitazione e cooperazione uomo macchina Robot Cooperanti

18 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno ARCHITETTURA Server I/O Board Processo di Controllo Interfaccia (HMI) Supervisore Logica di Gestione Interfaccia (Verso HW) Algoritmi di Controllo Generatore di Traiettorie CARATTERSITICHE Scritto in C++ Sviluppato in QNX 4.25 4 processi cooperanti Tempo ciclo del processo di << 1 ms Sincronizzazione processi data da un’interrupt delle schede di acquisizione Aggiornamento in run- time dei parametri di controllo (PID, etc. ) 300 file, 50 cartelle, (ogni file è 500÷50000 righe di codice)... Criticità risolte: Formalizzazione dei Task non rigorosa Architettura non versatile ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Gestione delle risorse SW fragile e non intrinsecamente sicura Protocolli di comunicazione con “l’esterno” vincolanti Non User-Friendly

19 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno STATO DELL’ARTE Fasi del Controllo: Start; Azzeramento; Posizione ai giunti; Coordinate cartesiane; Interazione (Guidance).

20 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno CONCLUSIONI  Studio del comportamento dinamico dei Robot Approfondito lo studio dell’influenza dinamica Approfondito lo studio di algoritmi ibridi-dinamici (Yoshikawa) Approfondita l’estensione degli algoritmi di controllo a più gradi di libertà (Fhearstone, Khatib, Duffy, Lipkin) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Sviluppato e Sperimentato un algoritmo di compensazione dinamica per controlli ibridi in forza e velocità Sviluppato e Sperimentato un algoritmo di controllo ibrido in forza e velocità disaccoppiato dinamicamente  Realizzazione di un SW di controllo  Approfondita la teoria del controllo multi-task  Ri-definita l’architettura del SW  Implementati alcuni algoritmi di controllo

21 Università degli Studi di Brescia Dottorato in Meccanica Applicata XX Ciclo - III anno Grazie per l’attenzione Dottorato in Meccanica Applicata – XX Ciclo – III anno di corso BUONA GIORNATA!