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Controlador em cascata com adaptação de parâmetros para robôs hidráulicos

Machado, Cláudio Luís D'Elia 25 October 2012 (has links)
Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T06:51:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 281742.pdf: 5027044 bytes, checksum: aca2efda5956243285381dffafdfd28e (MD5) / Este trabalho trata do problema de controle de robôs hidráulicos que utilizam válvulas proporcionais direcionais com centro supercrítico realizando seguimento de trajetória de posição e tem enfoque na compensação de zona morta destas válvulas. Os robôs hidráulicos apresentam grande capacidade de carga e um grande potencial de aplicação na indústria. Isto se deve a elevada relação força/dimensão dos atuadores hidráulicos e a capacidade que possuem para responder de forma rápida aos sinais de comando. No entanto, os robôs hidráulicos oferecem algumas dificuldades ao controle. Há, por exemplo, acoplamento de dinâmicas, dificuldades da estimativa de parâmetros do modelo matemático, variação de alguns parâmetros durante a operação e comportamento não-linear provocado pelo atrito no cilindro hidráulico e pela zona morta das válvulas proporcionais direcionais de centro supercrítico. Neste trabalho, uma estratégia de controle em cascata é aplicada com objetivo de superar estas dificuldades. Esta estratégia tem como característica a divisão do modelo matemático do robô hidráulico em subsistemas e permite a aplicação de técnicas de controle não-linear para superar as dificuldades inerentes de cada subsistema. Tanto o atrito no cilindro hidráulico quanto a zona morta da válvula provocam os erros de seguimento de trajetória do robô. O atrito influi na dinâmica do movimento no subsistema mecânico que tem como entrada a força produzida no cilindro pelo subsistema hidráulico e como saída a posição angular dos elos do robô. Os erros de seguimento de posição dos elos provocados pelo atrito podem ser reduzidos através de sua compensação direta no subsistema mecânico utilizando observadores de atrito baseados em modelos dinâmicos. A zona morta retarda a abertura da válvula gerando erros significativos de seguimento de força no subsistema hidráulico. Sua compensação pode ser realizada através de uma função inversa da zona morta. Assim, apresenta-se um controlador em cascata capaz de compensar a dinâmica da válvula e sua zona morta, a dinâmica da força hidráulica, do atrito e do movimento dos elos do robô. Apresentam-se, também, leis de adaptação de parâmetros para a função inversa da zona morta. A implementação destas leis adaptativas tem como objetivo principal a redução dos erros de seguimento no subsistema hidráulico através da compensação da zona morta e, consequentemente, a redução dos erros de seguimento de posição angular dos elos do robô. Mostra-se, através da análise de estabilidade por Lyapunov e de forma experimental, que os erros resultantes do seguimento de trajetória convergem para um conjunto residual mesmo quando o controlador em cascata não realiza a compensação do atrito e da dinâmica da válvula, mas utiliza as leis de adaptação e a compensação de zona morta propostas neste trabalho. Os resultados teóricos e experimentais permitem concluir que a compensação de zona morta também pode compensar, de forma indireta, outras dinâmicas como a do atrito. / This work addresses the problem of controlling hydraulic robots using overlapped proportional valves which perform trajectory tracking, with special focus on the dead-zone compensation of these valves. Hydraulic robots present great load capability and a huge potential of application in the industry. This is due to the high torque/size ratio of the hydraulic actuators and its ability to respond quickly to control signals. However, hydraulic robots introduce some difficulties to the control. There are, for example, dynamic coupling, problems to estimate the mathematical model parameters, changes in some parameters during operation and a nonlinear behavior mainly caused by friction in the hydraulic cylinder and the dead-zone of overlapped proportional valves. In this work, a cascade control strategy is applied to surpass these difficulties. This strategy is based on the division of the hydraulic robot mathematical model into subsystems and allows the application of nonlinear control techniques to overcame the inherent difficulties in each subsystem. Both the friction in the hydraulic cylinder and the dead-zone of the valve cause tracking errors in the robot trajectory. Friction influences the motion dynamics in the mechanical subsystem which has as input the force produced in the cylinder by the hydraulic subsystem and as output the angular position of the robot links. Tracking errors of the links positions caused by friction can be reduced through its direct compensation in the subsystem using mechanical friction observers based on dynamic models. The dead-zone slows the opening of the valve causing significant force tracking errors in the hydraulic subsystem. The compensation can be accomplished through an inverse function of the deadzone. Thus, this work presents a cascade controller able to compensate the dynamics of the valve and the dead-zone, the dynamics of the hydraulic force, friction and motion of the robot links. Adaptation laws for the dead-zone inverse function are also presented. The adaptation laws implementation has the main goal to reduce tracking errors of the hydraulic subsystem through the dead-zone compensation and consequently the reduction of angular position tracking errors of the robot. It is shown through Lyapunov stability analysis and through experimental ents that position tracking errors converge to a residual set even when the cascade controller does not perform compensation for friction and valve dynamics, but using only the adaptation laws and dead-zone compensation proposed in this work. Theoretical and experimental results showed that the dead-zone compensation may also compensate, indirectly, other dynamics such as friction.
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Análise cinemática e geração de trajetórias estáveis para um robô bípede antropomórfico

Toscano, Gustavo Sobral January 2011 (has links)
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-26T05:04:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 296616.pdf: 5615246 bytes, checksum: 5fefccf406b16f92ba904fae2dfc0d0d (MD5) / Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um gerador de trajetórias quase-estáticas estáveis, segundo o critério do Zero-Moment Point (ZMP), a partir do modelamento cinem´atico de robos bípedes antropomórficos (RBA), utilizando o conceito de base flutuante. Para atingir esse objetivo, primeiramente, foi constru´ýdo o modelo 3D de um RBA para se fazer o levantamento dos parametros físicos e estruturais do bípede, por intermédio de uma ferramenta CAD. A base flutuante consiste em uma técnica na qual aloca-se um sistema referencial local em uma estrutura, a qual pode se movimentar livremente no espa¸co com quaisquer orientação e posição em relalação a um referencial inercial considerado. Tal conceito teve sua origem em sistemas aéreos - também utilizado em manipuladores acoplados a uma espaçonave - pela a necessidade de se determinar referenciais para o movimento sem que o sistema fosse fixo no sistema inercial considerado. O conceito base flutuante foi aplicado ao RBA e obteve-se o modelo cinem´atico do robô. Através dos modelos 3D e cinemático, foram determinadas as restrições da locomoção bípede, bem como a parametrização do gerador de trajetórias espaciais quase-estáticas proposto neste trabalho. Ao final, as trajetórias geradas são validadas, através de simulação espacial, pelo critério do ZMP tridimensional. Portanto, o gerador é parametrizado de tal forma que possibilita a geração de trajetórias com características diferentes a partir da alteração de seus parâmetros. Outra contribuição desta pesquisa é a utilização do método geométrico com restriçõoes para o desenvolvimento do gerador de trajetórias, a partir do modelo de um RBA, utilizando o conceito da base flutuante; a estrutura antropomórfica é composta por braços, pernas e tronco, os quais foram considerados na geração da locomoção bípede. / This work aims at developing a generator of quasi-static stable trajectories, according to the ZMP criterion, based on the kinematic model of biped anthropomorphic robots (BAR), using the concept of floating base. In order to achieve this objective, firstly, it was constructed the 3D model of a BAR to obtain the physical and structural parameters of the biped robot by using a CAD software. The floating base consists of a technique that allocates a local reference frame in a structure which can move freely in space relative to the inertial frame considered. This concept had its origin in aircraft systems - also used in a manipulator coupled in a spaceship - by the need to stablish references to the movements of the considered system with respect to the inertial frame. The floating base concept was applied to a BAR and the kinematic model of the robot was obtained. By using the 3D and kinematic models, the constraints of the biped movement were determined as well as the parameterization of the generator of quasi-static spatial trajectories proposed in this work. The generated trajectories were validated through simulations and by the ZMP criterion. The trajectory generator is parameterized to allow the generation of trajectories with different characteristics by modifying its parameters. Another contribution of this work is the use of the geometric constraints method for the development of the trajectory generator, based on the model of a BAR, using the floating base concept; the anthropomorphic structure is made up of arms, legs, and torso, which were considered in the generation of the biped movement.
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Retrofitting de robôs manipuladores com incorporação de controle de posição e força

Oliveira, André Schneider de January 2007 (has links)
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T03:39:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 266556.pdf: 5638476 bytes, checksum: 67fe310f60e50686f2074c2e5944dfd3 (MD5) / O presente trabalho aborda o retrofitting de manipuladores, através de uma proposta de modelo de referência para o desenvolvimento de controladores de robôs com arquitetura totalmente aberta. O enfoque principal é o desenvolvimento de um padrão de arquitetura funcional organizada em uma estrutura hierárquica, levando em consideração os requisitos e as tendências atuais para o desenvolvimento dessa modalidade de sistema. Esta dissertação pode ser dividida em três grandes etapas. A primeira, denominada de planejamento, estuda os requisitos, as definições e as categorias de controladores de arquitetura aberta e apresenta uma proposta de modelo de referência para o desenvolvimento de controladores de robôs. Na segunda etapa, nomeada de desenvolvimento, ocorre a criação integral de um controlador de robôs (i.e., do software, middleware, hardware e firmware) com arquitetura totalmente aberta. Baseando-se no modelo de referência proposto, enfatizando as tarefas de controle de posição e força. Por fim, apresenta-se a etapa de validação e experimentação, com a aplicação do controlador de robôs desenvolvido no manipulador industrial REIS Rv15 e a incorporação de um transdutor de força ao sistema. Assim, validando o retrofitting do manipulador com a implantação de uma estrutura de controle indireto de força. A concepção de controlador desenvolvida cumpriu os seguintes requisitos: alta capacidade de processamento, baixo custo, conectividade com outros sistemas, disponibilidade de acesso remoto, facilidade de manutenção, flexibilidade no desenvolvimento de algoritmos, integração com um computador pessoal e programação em alto nível. O estudo realizado neste trabalho agrega ao Laboratório de Robótica (LAR) o conhecimento integral da estrutura interna de um controlador de robôs com arquitetura aberta. Dessa forma, aumentando potencialmente as possibilidades de estudos na área da robótica, com um custo significativamente inferior as soluções disponíveis no mercado.
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Estabilização do caminhar de um robô bípede de 5 elos com compensação do movimento dorsal

Douat, Luiz Ricardo January 2008 (has links)
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-24T04:53:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 252129.pdf: 1474377 bytes, checksum: afa2f572c9047fdbd7f3a367ee548d89 (MD5) / Este trabalho foca na análise e controle, no plano sagital, do caminhar de um robô bípede subatuado de 5 elos, a partir dos conceitos de energias mecânicas envolvida no movimento, trazendo duas contribuições. A principal contribuição foi propor o aproveitamento da posição relativa dorsal do robô para a compensação de momentos que conduz a um caminhar estável para qualquer horizonte de tempo de simulação. O sistema é controlado por meio da técnica de torque computado aliada a um controlador proporcional derivativo. A segunda contribuição foi a modificação do controlador PD para evitar que ocorra hiperextensão do joelho do robô, na sua perna de apoio com o solo. Para a obtenção dos resultados numéricos foi desenvolvido um simulador do robô. A robustez da estratégia adotada é verificada via simulações. This work focuses on the analisys and control, in the sagittal plane, of the gait of an underactuated 5-link bipedal robot, based on the concepts of the mechanical energies involved in the movement, bringing two contributions. The major contribution was the proposal of the usage of the robots relative dorsal position for the moments compensation that conduces to a stable walk for any simulation's time horizon. The system is controlled by means of the control torque technique together with a proportional derivative controller. The second contribution was the modification of the PD controller in order to avoid hyperextension at the robot's knee supporting leg. For numerical results a simulator was developed. Robustness of the adopted strategy is verified through simulations.
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Controle de robôs hidráulicos com compensação de atrito

Valdiero, Antonio Carlos January 2005 (has links)
Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2013-07-16T02:23:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 210658.pdf: 4194370 bytes, checksum: f0e949e5c9e6b278ce0af13f605debba (MD5) / Este trabalho trata do problema de controle de posição de robôs manipuladores com acionamento hidráulico. Tais robôs possuem grande potencial de aplicação nas indústrias de construção, equipamentos agrícolas, equipamentos de transporte e manuseio de materiais, equipamentos de mineração, manufatura, siderurgia, metalurgia, aviação, marinha e lazer, devido às vantagens de alta relação torque/dimensão e da flexibilidade de instalação de seus atuadores. Entretanto, existem diversas dificuldades para a obtenção de respostas precisas quando os atuadores são hidráulicos. Dentre elas, pode-se citar as dinâmicas pouco amortecidas, a não linearidade de zona morta das válvulas de controle, o atrito nas vedações dos atuadores, a obtenção dos parâmetros do sistema e, além disto, o forte acoplamento entre as dinâmicas não lineares do atuador e do braço mecânico em robôs hidráulicos. No levantamento do estado da arte de robôs hidráulicos, nota-se que os poucos controladores de robôs hidráulicos propostos na literatura atualizada não tratam de todas as dificuldades de controle. Então, desenvolve-se um modelo não linear de 5a ordem para o robô acionado hidraulicamente, incluindo-se a dinâmica do atrito baseada na microdeformação das rugosidades das superfícies em contato. A partir da observação do comportamento dinâmico das pressões nos orifícios das válvulas, propõe-se uma metodologia para identificação e compensação da zona morta em válvulas direcionais proporcionais. Com base no modelo do robô, utiliza-se a estratégia de controle em cascata que permite a divisão em dois subsistemas: o subsistema hidráulico e o subsistema mecânico. O controlador em cascata mostra-se adequado na implementação de técnicas de controle para compensação das dificuldades dinâmicas inerentes a cada subsistema, permite a compensação direta do atrito no subsistema mecânico e a utilização de um esquema centralizado para tratar do acoplamento dinâmico. Foi realizada a análise da estabilidade do sistema completo em malha fechada, com controlador cascata e observador de atrito, através do método direto de Lyapunov. Para fins de implementação experimental dos algoritmos de controle desenvolvidos, foi construído o protótipo de um robô manipulador acionado hidraulicamente. Resultados teóricos e experimentais mostram a validade e as características do controle em cascata proposto.
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Retrofitting de robôs manipuladores com incorporação de controle de posição e força

Oliveira, André Schneider de January 2007 (has links)
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2013-07-16T03:21:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 247304.pdf: 5638476 bytes, checksum: 67fe310f60e50686f2074c2e5944dfd3 (MD5) / O presente trabalho aborda o retrofitting de manipuladores, através de uma proposta de modelo de referência para o desenvolvimento de controladores de robôs com arquitetura totalmente aberta. O enfoque principal é o desenvolvimento de um padrão de arquitetura funcional organizada em uma estrutura hierárquica, levando em consideração os requisitos e as tendências atuais para o desenvolvimento dessa modalidade de sistema. Esta dissertação pode ser dividida em três grandes etapas. A primeira, denominada de planejamento, estuda os requisitos, as definições e as categorias de controladores de arquitetura aberta e apresenta uma proposta de modelo de referência para o desenvolvimento de controladores de robôs. Na segunda etapa, nomeada de desenvolvimento, ocorre a criação integral de um controlador de robôs (i.e., do software, middleware, hardware e firmware) com arquitetura totalmente aberta. Baseando-se no modelo de referência proposto, enfatizando as tarefas de controle de posição e força. Por fim, apresenta-se a etapa de validação e experimentação, com a aplicação do controlador de robôs desenvolvido no manipulador industrial REIS Rv15 e a incorporação de um transdutor de força ao sistema. Assim, validando o retrofitting do manipulador com a implantação de uma estrutura de controle indireto de força. A concepção de controlador desenvolvida cumpriu os seguintes requisitos: alta capacidade de processamento, baixo custo, conectividade com outros sistemas, disponibilidade de acesso remoto, facilidade de manutenção, flexibilidade no desenvolvimento de algoritmos, integração com um computador pessoal e programação em alto nível. O estudo realizado neste trabalho agrega ao Laboratório de Robótica (LAR) o conhecimento integral da estrutura interna de um controlador de robôs com arquitetura aberta. Dessa forma, aumentando potencialmente as possibilidades de estudos na área da robótica, com um custo significativamente inferior as soluções disponíveis no mercado.
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Metodologia para análise de confiabilidade em robôs com aplicação em robô paralelo

Sanabria, Julián Alfonso January 2012 (has links)
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2013-06-25T23:06:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 309426.pdf: 3800257 bytes, checksum: 35c3b2060108cf6eda4f81ab980214c2 (MD5) / Os conceitos de confiabilidade têm grande aceitação em diversas áreas da engenharia, abrangendo uma grande quantidade de sistemas técnicos que podem ser analisados. Nota-se, com base no auge tecnológico dos últimos anos, que novos sistemas estão sendo desenvolvidos com maior frequência, os quais visam se adaptar às necessidades operacionais mais diversas, valendose para isso de robôs móveis, manipuladores seriais ou manipuladores paralelos como uma das principais alternativas. Os robôs industriais são sistemas que integram itens elétricos, eletrônicos, hidráulicos e pneumáticos, propiciando o incremento das fontes de falha e como consequência disso um maior interesse pela análise de confiabilidade. A confiabilidade é a área que deve analisar a funcionalidade de um sistema, evitando as falhas ou minimizando seu impacto por meio da aplicação de técnicas adequadas, onde muitas dessas já estão normatizadas. Nesse contexto, o presente trabalho aborda o desenvolvimento de uma metodologia para analisar a confiabilidade em robôs, usando técnicas que orientem a caracterização das falhas e as suas probabilidades de ocorrência. Assim, a metodologia proposta está apresentada dentro de um processo de projeto, ou seja, durante as atividades de desenvolvimento de um sistema robótico, onde os resultados a serem obtidos devem encaminhar ações que visem garantir a confiabilidade estabelecida no inicio do projeto. Com isso, pretende-se motivar aos projetistas de robôs à inclusão da confiabilidade como um atributo de produto, aplicando uma metodologia adequada para avaliar o leiaute final a fim de corrigir os problemas associados ao robô antes que este seja fabricado. Finalmente, uma demonstração do uso da metodologia é feita sobre um sistema robótico paralelo, evidenciando as vantagens da sistemática proposta e caracterizando os resultados a serem obtidos. / The concepts of reliability are greatly accepted in a vast variety of engineering areas, incorporating an enormous quantity of technical systems that can be analyzed. It is noticed that, in the technological growth of the area in the last few years, new systems are being developed with more frequency, which goal to adapt to an infinite variation of operational needs, by using mobile, serial manipulative or parallel manipulative robots. The industrial robots are systems that include electrical, electronic, hydraulic and pneumatic items, providing more opportunities to failure that reinforces reliability analysis. Reliability is the area that guarantees the functionality of a system, avoiding or minimizing the impacts of failures, by applying suitable techniques, which are mostly already normalized. In this context, the current proposition approaches the development of a methodology for reliability analysis in robots, using techniques that orient the failure characterization and properties associated to them. Therefore, the methodology proposed is presented within a project process, meaning that, during the activities of development of a robotic system, in which the results obtained should lead to actions that aim to guarantee reliability established in the beginning of the project. This leads to motivate robot planners to include reliability as an attribute of their products, applying an appropriate methodology to assess the final layout in order to correct problems associated to the robot before it is produced. Finally, an application is made on the parallel robot, emphasizing the advantages of the systematics proposed and characterizing the results that will be obtained.
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Análise cinemática hierárquica de robôs manipuladores

Martins, Daniel January 2004 (has links)
Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-22T04:06:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 205017.pdf: 1532976 bytes, checksum: 3e785c0dd309085afad70d625b37310e (MD5)
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Controle de impedância em robôs manipuladores

Motejunas, Cesar Augusto January 2002 (has links)
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-19T16:22:58Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-26T01:18:36Z : No. of bitstreams: 1 189218.pdf: 8834174 bytes, checksum: 0a97f02e742443161a59a2df2b9b59c8 (MD5) / Este trabalho tem como objetivo estudar o uso do controle de impedância no controle de um robô manipulador rígido. No trabalho é abordada a aplicação do controle de impedância implementado a partir de um controle de posição, através da inclusão de uma realimentação de esforço/torque, de maneira a tornar a impedância apresentada pelo manipulador exclusivamente dependente do controle. O desempenho do controle de impedância na forma desenvolvida é verificado em simulações numéricas para o caso do controle de um manipulador SCARA, considerando a sua estrutura completa. São simuladas movimentações no espaço livre e em contato com o meio, para a situação real e com variação paramétrica. O controle de impedância é implementado no manipulador SCARA Inter do laboratório de Robótica da Universidade Federal de Santa Catarina, utilizando a linguagem de programação Xoberon. Seu desempenho é comparado com os resultados obtidos nas simulações.
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Controle de posição de robôs manipuladores rígidos e com transmissões flexíveis utilizando controladores na estrutura de dois graus de liberdade /

Bisso, Carlos José Venturo January 1999 (has links)
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-18T21:29:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T03:07:29Z : No. of bitstreams: 1 147347.pdf: 3587194 bytes, checksum: 88c7628409175da71f8d04705a597093 (MD5)

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