EVOLUZIONE DI UN SISTEMA ROBOTICO …robotics.unibs.it/dottorato/xix/derossi3.pdf3 UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BRESCIA Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata - XIX CICLO EVOLUZIONE

1UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BRESCIA

Dottorato di ricerca in Meccanica Applicata - XIX CICLO

EVOLUZIONE DI UN SISTEMA ROBOTICO COMANDATO IN TELEMANIPOLAZIONE E RETROAZIONATO IN POSIZIONE E FORZA

Dottorando:Nicola De Rossi

EVOLUZIONE DI UN SISTEMA ROBOTICO COMANDATO INEVOLUZIONE DI UN SISTEMA ROBOTICO COMANDATO INTELEMANIPOLAZIONE E RETROAZIONATO IN POSIZIONE E FORZATELEMANIPOLAZIONE E RETROAZIONATO IN POSIZIONE E FORZA

Dottorando: Nicola De Rossi

Tutor: Prof. Roberto Caracciolo





INDICEINDICE

1. Introduzione1.1 Aspetti generali di telemanipolazione via Internet1.2 Caratteristiche del sistema sviluppato e obbiettivi del lavoro

2. Allestimento del sistema per la sperimentazione3. Pianificazione “on-line” della traiettoria del manipolatore

4.1 Scelta del tempo di pianificazione4.2 Definizione delle condizioni al contorno

4. Algoritmo ritardante basato sul segnale di forza misurato5.1 Calcolo del ritardo controllato basato sulla forza misurata5.2 Ritardo complessivo e indice di ritardo

5. Validazione sperimentale5.1 Test di inseguimento5.2 Test di foratura

6. Conclusioni





1.1 1.1 Aspetti generali di Aspetti generali di telemanipolazionetelemanipolazione via Internetvia InternetUn operatore umano che controlla un sistemarobotico remoto in real time attraverso InternetTelemanipolazione via Internet

Tele-chirurgiaManipolazione di materiali pericolosiAttività in ambienti ostiliEsplorazione spaziale

Campi di applicazione

La comunicazione real time basata su Internet è affettada una serie di limitazioni e difficoltà:

Ostacoli principali

Banda di trasmissione limitataRitardi di trasmissione arbitrariPerdita di pacchetti ed errori di trasmissione

Instabilità e de-sincronizzazioneScarse prestazioni del sistematelerobotico





1.2 Caratteristiche del sistema sviluppato e obbiettivi del lav1.2 Caratteristiche del sistema sviluppato e obbiettivi del lavorooro

Sistema robotico per la telemanipolazione costituito da un master aptico e da un robot antropomorfo collegati tra loro in real time attraverso Internet

Realizzazione di operazioni di foratura a distanza: task adatto all’impiego in diversi settori (telechirurgia, telemanutenzione, ecc.)

L’operatore muove il manipolatore attraverso un’interfaccia aptica a cinque gradi di libertà dotata di un attuatore a forma di penna; i movimenti compiuti dall’operatoresono riprodotti a distanza dal robot

L’interfaccia aptica è in grado di generare ambienti virtuali che consentono diguidare l’operatore nell’esecuzione del task

L’operatore dispone di un feedback di forza prodotto da una cella di caricoestensimetrica monoassiale montata sull’end effector del manipolatore e in gradodi misurare le forze lungo l’asse di foratura

Ambiente reale non strutturato





2. Allestimento del sistema per la sperimentazione2. Allestimento del sistema per la sperimentazioneManipolatore antropomorfoSystemRobot RM10 (SLAVE)

Sistema aptico a 5 gradidi libertà PiRoGa5 (MASTER) Riferimenti di

posizione e orientamento

CO

NTR

OLL

OR

E D

ELL’

UN

ITA

’ MA

STER

E

GES

TIO

NE

DEL

LA C

OM

UN

ICA

ZIO

NE

CO

NTR

OLL

OR

E D

ELL’

UN

ITA

’ SLA

VE

COMUNICAZIONE VIA INTERNET

End effectorRetroazionedi posizione e

forza

Retroazionevisiva





Controllore ad architettura VMEInterfaccia utente: teaching pendantProgrammazione per auto-apprendimento

Sistema “chiuso” non adatto ad applicazioni di telemanipolazione

UNITA’ SLAVE

Passaggio ad un sistema “aperto” basato su PC e su un sistema operativo real-timecommerciale (xPc-target) attraverso:

Un ricondizionamento completo sia hardware che software del controllore dell’unità slave

La progettazione e la sintesi di un controllore “aperto”:

1. Comunicazione via rete Internet con l’interfaccia aptica2. Interfacciamento con la parte di potenza del robot (generazione dei segnali di

abilitazione e controllo)

3. Posizionamento iniziale degli assi

4. Calcolo degli algoritmi di cinematica diretta e inversa del manipolatore

5. Pianificazione della traiettoria

7. Implementazione di un innovativo algoritmo, basato su un approccio di tipo non-time-based, in grado di assistere l’operatore durante la foratura in remoto e migliorare ilrisultato finale della lavorazione

6. Regolatozione PID per il controllo di posizione degli assi

8. Generazione del feedback di forza





3.1 Pianificazione “on3.1 Pianificazione “on--line” della traiettoria e tempo di pianificazioneline” della traiettoria e tempo di pianificazioneCalcolo della traiettoria successiva durante l’intervallo di tempo in cui il manipolatore sta eseguendo la traiettoria attuale.

Pianificazione “on-line” della traiettoria

I riferimenti di posizione non sono noti a priori;essi sono generati “on line” dai movimenti dell’operatore.

tf

All’inizio del generico step di pianificazione, per il calcolo della traiettoria successiva sono noti e impiegabili solamente la posizione attuale del manipolatore e i riferimenti di posizione ricevuti durante iltratto di pianificazione precedente :

1

PLANNINGPOSIZIONE ATTUALE

ULTIMI RIFERIMENTI RICEVUTI

tf

2

PLANNINGPOSIZIONE ATTUALE

ULTIMI RIFERIMENTI RICEVUTI

tf

3

PLANNING

La pianificazione avviene nello spazio dei giunti impiegando polinomi cubici i cui coefficienti vengonoaggiornati con un intervallo di tempo fisso:

Tempo di calcolo breve e semplice definizionedelle condizioni al contornoftt ≤≤0dctbtatt +++= 23)(θ

La scelta di un intervallo di tempo ( tf ) adeguato per l’aggiornamento della traiettoria risulta di fondamentale importanza per assicurare un buon inseguimento. In teoria, più piccolo è tf migliore è l’inseguimento di posizione e inferiore il ritardo rispetto alla posizione di riferimento





3.2 Pianificazione “on3.2 Pianificazione “on--line” della traiettoria e condizioni al contornoline” della traiettoria e condizioni al contornoLA SCELTA DI tf DEVE ESSERE FATTA CONSIDERANDO:

La dinamica del fenomeno che deve essere riprodotto Le caratteristiche del canale di trasmissione

Comunicazione basata su Internet: ritardi e perdite di dati.

Banda passante della mano di un operatoreumano: 5-10 Hz [*].

Utilizzo di una banda di trasmissione piùampia (200 Hz) rispetto al necessario

Adozione di un tempo di campionamento ≥ 50 Hz

Tempo di aggiornamento della traiettoria: 20 millisecondi (tf =20ms). Riduzione della probabilità di avere vuoti

informativi nella definizione della traiettoria

L’impiego di polinomi cubici preclude la possibilità di assicurare la continuitàdella funzione di accelerazione allagiunzione dei segmenti di pianificazione

Fenomenivibratori

Discontinuità di entità contenutanelle funzioni di accelerazione:gli effetti risultano trascurabili

t

tf tf tf

Raccordo dei polinomi relativi ai diversi step di pianificazione impostando adeguate condizioni al contorno al fine di assicurare:

CONTINUITA’ DI POSIZIONE CONTINUITA’ DI VELOCITA’

[*] S. Bortolatto, A. Gasparetto, A. Trevisani, and V. Zanotto, “Towards a model of the human hand: Linear system identification of the human grasp”, In Proceedings of the 1st IASME International Conference on Advances in Mechanics and Mechatronics (483-144), Udine, Italy, 2004





4.1 4.1 CalcoloCalcolo del del ritardoritardo controllatocontrollato basatobasato sullasulla forzaforza misuratamisurata( ) ( )* t t= − τR RIntroduzione di un ritardo nei riferimenti di posizione

basato sulla forza misurata dalla cella di carico

( ) ( )*

* * i i 1i i 1 i i 1 i

i i 1

t t ft t

−− −

−

− = + ⋅ − − τ −

R RR R ( ) ( )i i i 10 f t t −≤ τ ≤ −

i

i 1

t

ti

max

f (t) dt(f )

F−τ =∫

max

t

ti F

(t)dtfτ

i

1-i

∫=

iR

*iR

*1-iR

it1-it

( )

i

i 1

t

t* * *i i 1 i i 1

max i i 1

f (t) dt( ) 1

F t t−

− −−

= + − ⋅ − −

∫R R R R

i

i 1

i i 1

t

t meant t

i i 1

f (t) dtf

t t−

−−−

=−

∫ i i 1

i i 1

meant t

t tmax

f1 T

F−

−

−−− =

i i 1

* * *i i 1 i i 1 t t( ) T

−− − −= + − ⋅R R R R





4.2 Ritardo complessivo e indice di ritardo4.2 Ritardo complessivo e indice di ritardoi 0,1,.....n=i it= ⋅R k i t i= ⋅∆ ⋅R kVelocità di foratura costante (rampa di riferimenti di

posizione con pendenza costante)i i 1

i i 1

meant t

t tmax

f1 T

F−

−

−−− =Ipotizzando una forza di foratura costante è costante

i i 1t tT T−− =

T)RR(RR *1

*1

* ⋅−+= −− iiii

Gap di posizionei iR *

iR 1 t∆k tT∆k 2 2 t∆k 23 tT tT∆ − ∆k k 3 3 t∆k 2 36 tT 4 tT tT∆ − ∆ + ∆k k k

Riferimenti di posizione

4 t∆k 10 tT∆ −k k k5 t∆k 15 tT∆ −k k( ) j

jj 1 j 1

S t 1 T∞ ∞

∞= =

= τ =∆ ⋅ −∑ ∑2 3 410 tT 5 tT tT

4 5tT tT∆ + ∆k k2 3 4t(4 10T 10T 5T T∆ − + − +2 3t(5 15T 20T 15T 6∆ − + − +

t(4 10T 10T 5T T )∆ − + − +k2 3 4 5t(5 15T 20T 15T 6T T )∆ − + − + −k

m a x

t

ti F

( t ) d tfτ

i

1-i

∫=

iR

*iR

*1-iR

it1-it

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

T=1-fmean/Fmax

over

all d

elay S

[s]

m=1 m=2 m=4

i i

i jj 1

S=

= τ∑

1 t(1 T)∆ − 2 2t(2 3T T )∆ − + 3 2 3t(3 6T 4T T )∆ − + −4

Ritardo complessivo

∆ + ∆ − ∆k2 320 tT 15 tT 6∆ + ∆ −k

i *i i−R R

1 t(1 T)∆ −k 2 2t(2 3T T )∆ − +k 3 2 3t(3 6T 4T T )∆ − + −k

2 3)

4 5T T )−

( )T 1≤ − ≤0 1Serie geometrica di ragione:

1 T 1 T 1S t t t 11 (1 T) T T∞

− − = ∆ ⋅ = ∆ ⋅ = ∆ ⋅ − − − Indice di ritardo “m” per modificare l’effettodel ritardo:

m

1S t 1T∞

= ∆ ⋅ −

1≥m





5.1 Test di inseguimento5.1 Test di inseguimentoRiferimento di posizione ad andamento sinusoidale con feedback di forza nullo

Inseguimento in corrispondenza del valore di picco

Inseguimento in corrispondenzadell’attraversamento dello zero

Errore di inseguimento

L’errore di inseguimento tra posizione attuale e riferimentodi posizione si mantiene inferiore ad 1 mmDal momento che tf=20ms, il pianificatore introduce un ritardo sistematico di 20 ms tra la posizione attuale del manipolatore e il riferimento di posizione. L’erroreconseguente si mantiene comunque contenuto





0,6 s

4,1 s

Al termine della foratura, l’utensile vienemantenuto nella posizione finale per circa 25 secondi prima dell’estrazione

Velocità di foratura: 1 mm/s

Impiego di tre diversi valori dell’indice di ritardo (m=4, m=8, and m=16)

10NFmax = s105∆t 3−⋅=m

1S t 1T∞

= ∆ ⋅ −

i i 1

i i 1

meant t

t tmax

f1 T

F−

−

−−− =

Con m=4 S∞=0,61s Con m=8 S∞=4,27s

5.2 Test di foratura5.2 Test di foraturaTest di foratura condotti su pannello in legnoProfondità di foratura : 20 mm





Filmato di un test di foraturaFilmato di un test di foratura

FOR

ZA [N

]PO

SIZI

ON

E [m

m]

START





6. Conclusioni6. ConclusioniE’ stato implementato un sistema costituito da un’interfaccia aptica (master) e da un manipolatoreantropomorfo (slave) in grado di realizzare operazioni di foratura in remoto utilizzando la rete Internet

Il sistema slave è stato dotato di una retroazione di forza al fine di fornire all’operatore la sensazionedel reale contatto con l’oggetto in lavorazione

In particolare, sono stati realizzati gli interventi necessari per mettere in grado il robot industrialedi funzionare come operatore remoto in compiti di telemanipolazione

Ricondizionamento completo sia hardware che software del sistema di controllo

Progettazione e sintesi di un controllore aperto per l’unità slave

Validazione sperimentale degli algoritmi impiegati

APPLICAZIONI FUTURE

1. Chirurgia tele-robotica (per esempio: training remoto, interventi di inserimento di viti peduncolari negli anelli vertebrali, interventi di laparoscopia)

2. Monitoraggio e manutenzione remota (in particolare con riferimento ad interventi in ambientiostili: profondità marine, ambienti contaminati)

3. L’algoritmo ritardante potrebbe trovare utile impiego, ad esempio, nel controllo di apparati di sollevamento

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