Construcción de una estructura articular para su ubicación en el extremo de un robot antropomórfico

Transcripción

1 Construccón de una estructura artcular para su ubcacón en el extremo de un robot antropomórfco Informe Técnco Interno Iván Perea Fuentes Carlos A. Jara Bravo Francsco A. Candelas Herías Grupo de Automátca, Robótca y Vsón Artfcal

2 Informe técnco nterno Construccón de un mn-robot 1. Introduccón Uno de los prncpales resultados obtendos en este proyecto ha sdo la construccón físca de un robot seral tpo RRR, para su ubcacón en el extremo de un manpulador robótco modelo PA-10 del fabrcante Mtsubsh. El fn de este robot es aumentar la capacdad de vsualzacón dentro de entornos dnámcos para poder realzar tareas de manpulacón complejas. Para ello, esta estructura lleva ncorporada una pequeña cámara en el extremo del msmo e mplementa un sstema de movmento basado en control vsual drecto. El mn-robot esta acoplado de una forma robusta al extremo del PA-10, que se encarga de realzar las operacones de manpulacón. Tal y como se mostrará en la memora, este mn-robot permte segur los objetvos cercanos a la herramenta acoplada al extremo del sstema robótco PA-10 para poder salvar las oclusones que pueda producr este últmo robot cuando realce sus tareas de manpulacón. Para seleccón de los dstntos dspostvos físcos del manpulador, tanto mecáncos como eléctrcos, se ha empleado la herramenta Vrtual Lab de LMS [1], un software para smular el comportamento dnámco de mecansmos mult-cuerpo. Este programa ha permtdo el dseño de la estructura RRR por partes medante un modelo de dseños basado en sóldos (CATIA) y ha facltado el modelado del movmento del sstema robótco proporconando las fuerzas de rozamento, gravedad y par resultantes. La descrpcón de la construccón del mn-robot se organza de la forma sguente: prmero se explca el dseño de la cnemátco y la smulacón dnámca del msmo, donde se tuvo en cuenta las característcas deseadas para el msmo y el espaco de trabajo que se deseaba alcanzar con la estructura artculada. A contnuacón, se muestra con detalle el modelado sóldo 3D realzado con el software Vrtual Lab. Posterormente, se muestra la seleccón de los dspostvos eléctrcos, donde se tuve en cuenta los resultados obtendos en la smulacón del movmento del robot. Fnalmente, se descrbe el montaje físco de la estructura y la programacón del software de control de su movmento. 2. Estudo geométrco y cnemátco de la estructura a construr Prevo al modelado CAD de la parte mecánca del robot, se realzó un estudo geométrco y cnemátco para decdr el tpo, número de grados de lbertad (GDL) de la estructura y la longtud de los eslabones. El mn-robot a construr debe ser acoplado al extremo del manpulador robótco PA-10, con el objetvo de obtener un punto de vsualzacón apto para realzar correctamente las tareas de manpulacón. Dado este problema, se planteó que la tpología de este robot debía ser una estructura artculada tpo RRR con tres grados de lbertad (GDL) rotaconales (q1,q2,q3), tal y como muestra la smulacón creada con Easy Java Smulatons [2] de la Fgura 1. 1

3 AUROVA Grupo de Robótca-Proyecto MEC 2009 Fgura 1. Smulacón del sstema mult-robot formado por el Mtsubsh PA-10 y la estructura RRR del mn-robot Esta smulacón srvó para evaluar el número y tpo de artculacones, así como la proyeccón alcanzada por la cámara vrtual smulada stuada en el extremo del mn-robot RRR (Fgura 1). De esta manera, a través de la smulacón creada, se puderon obtener los puntos de vsualzacón alrededor de la tarea realzada por el manpulador PA-10. La prmera artculacón rotaconal posee un movmento ndependente al del PA-10, con lo permte stuar al RRR en cualquer ángulo o punto alrededor de la tarea. Las otras dos artculacones permten orentar la cámara haca dcho punto, con lo que la estructura RRR decdó ser la confguracón óptma para consegur el objetvo propuesto para el mnrobot. 3. Modelado 3D de la mecánca del mn-robot Como se comentó anterormente, el modelado 3D de la parte mecánca del robot se ha realzado utlzando el software Vrtual LAB que ha permtdo tanto el dseño de los componentes, como la smulacón dnámca del sstema. Este modelado se ha realzado tenendo en cuenta las máxmas de robustez, lgereza y adaptabldad. Para el mn-robot se requería un dseño robusto, ya que las rregulardades mecáncas pueden ntroducr errores y desajustes en el modelo, que complcarían el control posteror del sstema medante algortmos de control vsual drecto. El peso del robot fue un aspecto crítco en el modelado 3D, ya que el robot Mtsubsh PA-10 tan sólo es capaz de manpular 10 Kg de manera estable, por lo que se tuvo que reducr al máxmo el peso adconal añaddo para mantener una adecuada capacdad de manpulacón. Además, el mn-robot debía tener la capacdad de adaptarse al robot PA-10 sn requerr realzar modfcacones físcas en este últmo. Al msmo tempo, se planteó un dseño sguendo una máxma de modulardad, para poder fáclmente adaptar el sstema a otros sstemas robótcos con la modfcacón del mínmo número de pezas, adaptándose así a dferentes necesdades obtenendo la confguracón óptma. 2

4 Informe técnco nterno Construccón de un mn-robot 3.1. Prmera artculacón La Fgura 2a muestra el despece explotado del conjunto completo de la prmera artculacón. El acoplamento al manpulador robótco PA-10 se realza medante las pezas 01a1 y 02a1, ambas fabrcadas en Duralumno, un materal que proporcona unas característcas dóneas de resstenca y bajo peso. Las cuatro extensones de la peza de acople (01a1) se utlzan para apoyar el resto de la artculacón y dar un esqueleto robusto al casqullo (06a01). Este casqullo es la peza de soporte de gro de la prmera artculacón, cuyo materal de construccón es un plástco de bajo perfl molecular tpo PEUHMW. Este materal posee alta resstenca frente a rotura y al desgaste, y un bajo coefcente de frccón que posblta el gro. A contnuacón, la peza 07a1 es un engranaje de acero que se ha mecanzado para dsmnur su peso y que se acoplará a otro engranaje localzado sobre el eje del motor. La peza 04a1 se ocupa de proporconar una fjacón entre las pezas 04a1 y 05a1, para evtar vbracones en el bloque motor. La peza 08a1 se encaja en el engranaje y compone la parte móvl de la prmera artculacón del robot. Fnalmente, exste una tapa mecanzada cuyo materal es el msmo plástco que la peza 06a1 y se utlza como tope superor del casqullo (06a1). La Fgura 2b muestra el conjunto montado de la prmera artculacón. El peso total de este conjunto, contablzando el motor y la reductora seleccones (véase punto 5), es sobre 2,5 kg. Como puede verse en la magen, parte de la estructura 01a1 se ntroduce en el clndro 09a1. Esta confguracón da robustez al clndro y al sstema ya que ayuda a repartr las fuerzas de la gravedad y las que serán generadas por el robot en movmento. Cabe destacar que el acople entre las pezas 08a1 y 07a1 se ha realzado de manera que queda en el nteror una camsa de acero en la parte móvl de la artculacón, correspondente a la peza 07a1. Esto es nteresante ya que el coefcente de frccón del acero con otros materales es, en general, menor que el del alumno. Fgura 2. Modelo 3D del despece y conjunto de la prmera artculacón 3

5 AUROVA Grupo de Robótca-Proyecto MEC Segunda y tercera artculacón La Fgura 3a muestra el despece explotado del modelo 3D de la segunda artculacón del mn-robot. El dseño de esta artculacón y de la tercera (que es déntca a la segunda), se realzó tenendo en cuenta la condcón de adaptabldad del dseño, de forma modular. De esta manera, el robot podrá adaptarse a dferentes tpos de motor cambando un mínmo número de pezas. Las pezas de 01a2 y 05a2 son los eslabones que unen la artculacón, y están elaborados con perflaría de alumno lgero. El perfl de alumno de los eslabones es déntco en todos los tramos del robot, permtendo múltples confguracones. Esta artculacón está dvdda en gran número de pezas para dsmnur el coste de fabrcacón. La Fgura 3b muestra el conjunto montado de la segunda artculacón. El peso total de este conjunto, contablzando el motor y la reductora, es de 1,5 kg. Se puede aprecar que el eje de gro es excéntrco al eje de los eslabones. El motvo de esta eleccón es que así se obtene un mayor ángulo de gro del robot en este sentdo. Además este dseño permte llegar a una poscón de reposo en la que el robot quede plegado sobre sí msmo en la tercera artculacón y la segunda artculacón dos quede grada haca bajo de forma que el robot quede paralelo al manpulador PA-10 (véase modelo 3D completo, Fgura 4). Fgura 3. Modelo 3D del despece y conjunto de la segunda artculacón 3.3. Conjunto total La Fgura 5 muestra el modelo 3D completo del robot RRR desarrollado. Se puede ver tambén los motores acoplados a cada una de las artculacones. El peso total estmado por el software Vrtual Lab fue de aproxmadamente en 5.5 kg, que posterormente resultó ser bastante ajustado. 4

6 Informe técnco nterno Construccón de un mn-robot Fgura 4. Modelo 3D del mn-robot RRR completo 4. Cálculo cnemátco del sstema modelado El modelo cnemátco drecto del sstema robótco propuesto permte obtener la poscón del extremo del manpulador RRR a partr de los ángulos de gro de sus artculacones (q1,q2,q3). Para obtener este modelo, se aplca el algortmo Denavt- Hartenberg (DH) [3]. Los sstemas de referenca se asgnan a cada uno de los n+1 eslabones que forman la estructura artcular según la Fgura 5 y la Fgura 6. De esta manera se obtenen los parámetros de DH mostrados en la Tabla 1, tenendo en cuenta las dmensones y las desvacones angulares reales de la estructura artcular de tres GDL propuesta. Los valores (q 1, q 2, q 3 ) corresponden con los valores artculares del robot. Los valores de poscón de las artculacones se conocen por movmentos relatvos, es decr a través de los encoders se puede conocer en qué dreccón y velocdad se está movendo una artculacón, sn embargo es necesaro establecer una referenca ncal para conocer su poscón en cada momento. Para tal fn, el robot ncorpora sensores que permten detectar la poscón de nco de cada artculacón (fnales de carrera y sensores nductvos). De esta manera cuando una artculacón llega a uno de estos sensores se conoce con precsón su poscón concreta. A parr de esta poscón de referenca se puede llegar medante movmentos relatvos conocdos a cualquer poscón deseada de la artculacón. Los valores π, qz 2 y qz 3 son valores que se han añaddo para poder establecer una poscón de referenca lógca respecto a la poscón de referenca físca proporconada por los sensores. Fgura 5. Sstemas DH sobre el mn-robot modelado 5

7 AUROVA Grupo de Robótca-Proyecto MEC 2009 Artculacón q1 q q θ d + π d 1 qz d qz3 d 3 a α a 3π/2 a 0 a 0 Tabla 1. Parámetros DH del sstema robótco d a 1 274,05 87,88 124,6 2 35,8 152,1 152,1 3 35,82 143,63 99,3 Tabla 2. Valores de los parámetros l 5. Smulacón dnámca del sstema robótco modelado Una vez obtendo el modelo 3D del robot, se tuvo que abordar el control de su movmento. Este problema mplcó generar y establecer una sere de trayectoras a segur para cada una de las artculacones para consegur obtener las restrccones físcas que necestan los actuadores. Medante la plataforma Vrtual Lab, se defneron una sere de movmentos para cada una de las artculacones como una secuenca de puntos de valores de velocdad. Se ntrodujeron las propedades físcas e nercales de cada uno de los modelos 3D, así como las propedades físcas de la cámara (masa e nerca) como carga externa, para obtener las fuerzas generadas en el movmento artcular del robot. Este paso que le consderó de gran mportanca ya que su resultado permtó poder selecconar los acconamentos del robot. La Fgura 6 muestra la planfcacón de trayectoras que se empleó para cada una de las artculacones y el par efectvo obtendo en cada una de ellas. Los crteros segudos para esta planfcacón venen determnados por algunos de los requstos que establecdos para el robot. En prmer lugar, se deseaba que las artculacones puderan grar a una velocdad de 1 vuelta por segundo, por lo que se establecó una velocdad de smulacón de 80 vueltas por mnuto para superar en un pequeño margen el valor establecdo. Por otro lado, se establecó que el movmento de las artculacones fuera a velocdades dferentes. Hay que tener en cuenta que las curvas de velocdad establecdas para la smulacón, se descrben en el tempo de forma dstnta, por lo que la curva de velocdad de la artculacón 3 termna a los 4 segundos. Por este motvo, los resultados de smulacón no son valdos a partr de ese nstante, dado que la extrapolacón de esta curva es mprevsble. Es por esto que se tenen en cuenta los valores de par obtendos entre 0 y 4 segundos, dando como resultado las cotas de par mostradas en las gráfcas de la derecha. 6

8 Informe técnco nterno Construccón de un mn-robot Fgura 6. Smulacón dnámca del manpulador y pares efectvos obtendos 6. Desarrollo eléctrco del mn-robot y su montaje La seleccón del hardware eléctrco y electrónco es un paso clave en el proceso de análss y dseño de un robot artcular. Esta seleccón se realzó a partr de la smulacón dnámca del manpulador mostrada en el punto anteror. Tenendo en cuenta los valores obtendos en la smulacón, se escogeron los actuadores, drvers de potenca y dspostvos de control adecuados a los requermentos del robot. A contnuacón, se explca cómo se ejecutó la seleccón del conjunto motor-reductor, del hardware de potenca y de los dspostvos de control Seleccón del conjunto motor-reductor. El conjunto motor-reductor escogdo para cada una de las artculacones debe superar el par artcular máxmo calculado en la planfcacón de trayectoras mostrada anterormente. A partr de los datos calculados en la smulacón, se consderó que los actuadores del robot fueran motores de corrente contnua de 24V del fabrcante Maxon ( La Tabla 3 muestra las característcas de los motores selecconados, donde M b (mn m) es el valor del par nomnal, N b (rpm) es la velocdad en 7

9 AUROVA Grupo de Robótca-Proyecto MEC 2009 carga del motor, N o (rpm) es la velocdad en vacío, η m (%) es la efcenca energétca, e I (A) es la corrente nomnal. Motor M b N b N o η m I 1ª art ,77 2ª art. 93, ,36 3ª art. 25, ,42 Tabla 3. Característcas de los motores selecconados Con el objetvo de cumplr con las restrccones de par y velocdad, se selecconaron reductoras para conformar un conjunto motor-reductor. La Tabla 4 muestra las característcas de las reductoras selecconadas, donde R es la reduccón, M max (N m) es el par nomnal soportado por el dspostvo, M nt (rpm) es el par ntermedo soportado por el dspostvo y η r (%) es la efcenca energétca. Reductor R M max M nt η r 1ª art ,5 72 2ª art ª art ,5 70 Tabla 4. Característcas de las reductoras selecconadas A partr de la sguente formulacón, se calculó el par efectvo y la velocdad fnal para cada uno de los conjuntos motor-reductor selecconado: (1) (2) El resultado obtendo se muestra en la Tabla 5, donde se puede observar que se supera el par artcular efectvo máxmo (parámetro N f meddo en N m) y se consgue una velocdad angular adecuada (parámetro ω f meddo en v/mn) para realzar el control vsual drecto. Motor-Reductor N f w r 1ª art. 17,68 0,93 2ª art. 8,69 0,87 3ª art. 3,40 0,86 Tabla 5. Valores fnales obtendos de par y velocdad Además, junto con los motores DC y sus respectvas reductoras, se adqureron tres encoders, uno por cada motor-reductor, para poder recoger los datos nstantáneos de la poscón angular de cada una de las artculacones. Los encoders selecconados son compatbles con el conjunto motor-reductor (tambén son del fabrcante Maxon) y poseen las sguentes característcas: - Frecuenca: 320 KHz. - Velocdad: 1024 pulsos por vuelta (1ª artculacón) y 512 pulsos por vuelta (2ª y 3ª artculacón). 8

10 Informe técnco nterno Construccón de un mn-robot - Número de canales: 3, señales A, B y Z. Los encoders proporconan señales con un protocolo RS-422, compatble con TTL. Este protocolo, transmte los datos medante señales dferencales, aunque los valores lógcos transmtdos son compatbles con TTL. Por tanto, por cada señal de encoder se tenen dos líneas; en una se tene la fase de la señal (señal A) y en la otra la fase nvertda (señal B), así que el envío de la nformacón no se produce por nveles de tensón sno por sentdos de corrente. Este tpo de señales son típcas en sstemas de encoders, dado que se trata de señales de alta frecuenca y por tanto muy sensbles a rudos electromagnétcos y atenuacón. Además, se requere envar esas señales a una dstanca consderable. Para adaptar los dferentes nveles eléctrcos aprovechando el sstema de envío de señales balanceadas, se ha dseñado un conversor de nveles RS-422 a TTL basado en chps SN75175, que converte las señales procedentes de los encoders a los nveles lógcos adecuados para los módulos de E/S. La Fgura 7 muestra un prototpo de este crcuto. Fgura 7. Crcuto de acondconamento para la señal de los encoders 6.2. Seleccón de los dspostvos de control. Para poder realzar el control medante software desde un computador personal, es necesaro dsponer de una undad de E/S que conecte el computador con los amplfcadores de los motores. Dado que el control se debe hacer por software, mplementando los algortmos de control vsual, la undad de E/S no debe ser un controlador de poscón ntegrado. Tras analzar dferentes dspostvos hardware, se optó por la undad CompacttDAQ de Natonal Instrumensts. Esta undad consta de un rack sobre el que se pueden colocar módulos de E/S, que se pueden selecconar de un amplo catálogo. En concreto, se ha escogdo un rack para ocho módulos, y actualmente se utlzan lo sguentes: - Tarjeta de entrada para la adquscón de señales analógcas (NI 9201). Se trata de una tarjeta de entradas analógcas, que se emplea para la montorzacón de algunas de las varables físcas provenentes del motor, tales como la ntensdad. Posee 8 canales de 12 bts/canal, y puede tomar muestras a 500KSps. - Tarjeta de salda de señales analógcas para la actuacón de control (NI 9263). Esta tarjeta se emplea para envar las señales de control analógcas a la etapa de potenca. A través de ella se establecen las referencas a los amplfcadores para 9

11 AUROVA Grupo de Robótca-Proyecto MEC 2009 actuar sobre el conjunto motor-reductor de cada una de las artculacones. Posee 4 canales de 16 bts/canal y genera valores con una frecuenca de hasta 100KSps. - 3 tarjetas de adquscón dgtal y cuenta rápda (NI 9401). Tarjetas específcas con entradas/saldas TTL y contadores rápdos, capaz de capturar señales con un perodo de 100ns. Se ha adqurdo una tarjeta de este tpo por cada uno de los encoders. - Tarjeta de entradas dgtales de 24V (NI 9421). Esta tarjeta proporcona 8 entradas dgtales, que detectan un nvel de 24V. Se utlzan para leer señales de los amplfcadores (Ready), de los fnales de carrera que detectan el cero de las artculacones, y de pulsadores del panel de mando. - Tarjeta de saldas dgtales de 24V (NI 9472). Proporcona 8 saldas dgtales actvas a 24V, que se utlzan para actuar sobre señales de los amplfcadores (Enable), para control de las líneas de almentacón a través de relés, y para actvar unos plotos ndcadores. Fgura 8. Sstema CompactDAQ usado como E/S 6.3. Seleccón del hardware de potenca Para el control de los motores del robot, se han selecconado los servoamplfcadores ADS 50/10 de Maxon, concretamente la versón de 50 V y 5 A (Fgura 9). Estos servoamplfcadores se elgeron ya que permten cuatro modos de funconamento: control por velocdad por tacómetro, control de velocdad por encoder, control de velocdad por compensacón IxR y control de par (corrente drecta). En el caso del presente proyecto, se requere realzar un control drecto de los motores sn una etapa de bucle cerrado ntermeda por lo que no nteresa utlzar los dos prmeros modos de funconamento. Por este motvo tampoco es posble emplear un drver más sofstcado, sno uno que permta el control de los motores drectamente por el par o la corrente que queremos aplcar en estos. Este drver es perfecto para la fnaldad del proyecto, ya que los dos últmos modos que nos permte selecconar este amplfcador son adecuados para cumplr dchas restrccones. 10

12 Informe técnco nterno Construccón de un mn-robot Fgura 9. Amplfcador Maxon ADS 50/10 Fgura 10. Cuadro eléctrco y electrónco construdo del mn-robot 7. Calbracón del movmento del mn-robot Para la calbracón de los servoamplfcadores, éstos ncorporan varos potencómetros para la varacón de dferentes parámetros necesaros para consegur la amplfcacón adecuada. En prmer lugar, el control IxR requere establecer la velocdad e ntensdad nomnal del motor. Una vez establecdos estos valores en los potencómetros, se procede a ajustar el offset. Para ello, se establece una referenca de cero en el motor y se reduce la gananca al valor mínmo para poder que el movmento del motor sea más lento. A contnuacón se regula el potencómetro de offset buscando que el motor quede queto, lo que sgnfca que el offset de la regulacón de ntensdad está a cero, es decr una referenca cero en la entrada del amplfcador equvale a un valor de ntensdad cero en su salda, lo que a su vez equvale a una velocdad cero de gro del eje motor. Por últmo queda ajustar la gananca, por lo que se establece un valor mentras el eje se mueve a velocdades varables osclatoras no muy altas, se debe tener en cuenta que cuando este valor es muy bajo se observa lenttud en el movmento, mentras que s es muy alto, se producen movmentos vbrantes y desacompasados en la artculacón, de esta forma se debe comprobar que la reaccón del eje sea suave y rápda, 11

13 AUROVA Grupo de Robótca-Proyecto MEC 2009 Fgura 10. Construccón fnal del mn-robot Referencas [1] LMS Internatoal (2006) Vrtual.Lab: Integrated Envronment for Functonal Performance Smulaton. [2] Esquembre, F., (2004), Easy Java Smulatons: a software tool to create scentfc smulatons n Java, Computer Physcs Communcatons, vol. 156, pp [3] Denavt, J. y Hartenberg, R.S., (1955) A knematc notaton for lower-par mechansms based on matrces, Journal of Appled Mechancs, vol. 23, pp